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研究人员设计各种损耗源为完美的光吸收提供新功能

摘要 自然和人造的物理结构都会失去能量,科学家们努力消除或补偿这种损失。光学和光子器件通过光散射、辐射或材料吸收而损失能量。然而,在某些

自然和人造的物理结构都会失去能量,科学家们努力消除或补偿这种损失。光学和光子器件通过光散射、辐射或材料吸收而损失能量。然而,在某些情况下,有意但仔细地设计开放光学设备和系统中的损耗可能会导致非常规的物理现象,从而激发新的光学控制和工程方法。

Lan Yang,圣路易斯华盛顿大学 McKelvey 工程学院电气与系统工程的 Edwin H. & Florence G. Skinner 教授,以及包括 Carl A. Morse 应用教授 A. Douglas Stone 在内的团队耶鲁大学物理学和物理学以及他的实验室发现了通过不同类型的光损耗来操纵光谐振器中光吸收的新方法。他们实现了两种相干完美吸收模式的简并性,这导致了非常规加宽的吸收光谱以及在宽频带上在弱吸收和强吸收之间切换的能力。这项工作于 2021 年 9 月 9 日发表在《科学》杂志上。

杨的团队使用了一个名为回音壁模式 (WGM) 微谐振器的实验平台,以伦敦圣保罗大教堂著名的回音壁命名,在那里,画廊一侧的一个人可以听到另一端另一个人的耳语。画廊。光学 WGM 设备的作用类似,但使用的是光频率而不是声音。这些结构支持共振,即只有具有特定频率的光才能长时间留在这样的系统中。由于材料吸收损耗,光可以被谐振器吸收。此外,光纤波导通常与谐振器的边缘相切放置,用于将光耦合进或耦合出谐振器。谐振器和光纤之间的耦合创建了一个额外的非耗散耦合损耗通道,

研究人员创建了两个具有不同吸收损耗的 WGM 微谐振器,并通过将它们靠近在一起来耦合它们的光场。每个谐振器耦合到光纤波导。通过改变谐振器和波导之间的间隙,他们能够调整耦合损耗。

在他们的实验中,研究人员通过优化两个耦合损耗和两个吸收损耗之间的比率,实现了对来自波导通道的入射光的完美吸收,这种情况称为相干完美吸收 (CPA)。CPA 是激光过程的时间倒转——系统不会将光发射出去,而是完全吸收照射的光,而不会发射或向外散射。

“一般来说,有损耗的光学系统能够吸收入射光,但除非明智地设计和控制损耗参数,例如吸收和耦合损耗之间的比率,否则不可能发生完美的吸收,”杨说。“更重要的是,为了实现完美的吸收,入射激光束必须以精确的频率振荡,并从两个波导通道以精心设计的幅度和相位比注入。”

在具有两个光谐振器的系统中,有两种波形可以被完全吸收,它们发生在两个不同的频率上。因此,系统通常表现为两个完美的吸收器。但是,通过优化由间隙调谐的谐振器之间的耦合,这两个频率和波形融合在一起,使一些非常规的事情发生。通过将系统调整到这一点,研究人员首次观察到输出光谱的线形比传统的洛伦兹线形更宽。