Konstruktion af forskellige tabskilder giver nye funktioner til perfekt lysabsorbering

Naturlige og menneskeskabte fysiske strukturer mister alle energi, og forskere arbejder hårdt på at eliminere dette tab eller kompensere for det. Optiske og fotoniske enheder mister energi gennem lysspredning, stråling eller materialeabsorption. I nogle situationer, imidlertid, forsætligt men omhyggeligt at designe tab i åbne optiske enheder og systemer kan føre til utraditionelle fysiske fænomener, som inspirerer til nye metoder til optisk kontrol og teknik.

Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner -professor i elektroteknik og systemteknik i McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, og et team, der omfatter A.Douglas Stone, Carl A. Morse -professor i anvendt fysik og fysik ved Yale University, og hans laboratorium afslørede nye metoder til manipulation af lysabsorption i optiske resonatorer med forskellige typer optiske tab. De opnåede en degeneration af to sammenhængende perfekte absorberende tilstande, hvilket fører til utraditionelt udvidet absorptionsspektrum og evnen til at skifte mellem svag og stærk absorption over et bredt frekvensbånd. Værket blev udgivet 9. september, 2021, i Videnskab .

Yangs team bruger en eksperimentel platform kendt som whispering gallery mode (WGM) mikroresonatorer, opkaldt efter det berømte hviskende galleri i Londons St. Paul's Cathedral, hvor en person på den ene side af galleriet kan høre hvisken fra en anden person i den modsatte ende af galleriet. Den optiske WGM -enhed virker på samme måde, dog med lysfrekvenser frem for lyd. Disse strukturer understøtter resonanser, dvs. kun lys med en bestemt frekvens kan forblive i et sådant system i lang tid. Som et resultat af tab af materialeabsorption, lyset kan absorberes af resonatoren. Yderligere, en fiberbølgeleder er sædvanligvis placeret tangential til resonatorens kant for at koble lys ind i eller ud af resonatoren. Koblingen mellem resonatoren og fiberen skaber en ekstra ikke-dissipativ koblingstabskanal, hvilket gør det muligt for lyset, der er fanget inde i resonatoren, at flygte fra fiberen.

Forskerne oprettede to WGM -mikroresonatorer med forskellige absorptionstab og koblede deres optiske felter ved at sætte dem tæt sammen. Hver resonator er koblet til en fiberbølgeleder. Ved at ændre afstanden mellem resonatorerne og bølgelederne, de var i stand til at indstille koblingstabet.

I deres eksperiment, forskerne opnåede en perfekt absorption af indgående lys fra bølgelederkanalerne, en situation kaldet koherent perfekt absorption (CPA), ved at optimere forholdet mellem de to koblingstab og de to absorptionstab. CPA er tidsomvendt af laserprocessen - i stedet for at udsende lyset, systemet absorberer fuldt ud det oplyste lys uden emission eller spredning.

"Generelt, et tabende optisk system er i stand til at absorbere indgående lys, men perfekt absorption kan ikke forekomme, medmindre tabsparametrene, såsom forholdet mellem absorption og koblingstab, er fornuftigt designet og kontrolleret, "Sagde Yang." Hvad mere er, for perfekt absorption at ske, de indkommende laserstråler skal oscillere med en nøjagtig frekvens og injiceres fra to bølgelederkanaler med et veldesignet forhold mellem amplituder og faser. "

I et system med to optiske resonatorer, der er to slags bølgeformer, der kan absorberes fuldstændigt, og de sker ved to forskellige frekvenser. Derfor, systemet opfører sig normalt som to perfekte absorbere. Men med en optimering af koblingen mellem resonatorerne afstemt efter deres hul, disse to frekvenser og bølgeformer smelter sammen og får noget utraditionelt til at ske. Ved at indstille systemet til det punkt, forskerne observerede for første gang en linjeform af outputspektret, der er bredere end den konventionelle Lorentzian -linjeform.

"Når de to CPA -tilstande samles, systemet når en særlig form for degeneration, der omtales som et perfekt absorberende ekstraordinært punkt, "sagde Changqing Wang, en doktorand i Yangs laboratorium og første forfatter af papiret. "Det er fundamentalt forskelligt fra andre konventionelle former for degenerationer, der blev fundet i åbne bølgesystemer. Det ser ud til, at du har to absorbere, der fungerer på samme frekvens og perfekt absorberer den samme type stråler. Men systemet opfører sig meget anderledes end en enkelt absorber, heller ikke blot summen af ​​to absorbere. "

Med de degenererede perfekte absorberende tilstande, ved lidt at ændre den relative forsinkelse af de to laserstråler, der kommer ind i de to bølgeledere, systemets absorption kan variere dramatisk fra stærk til svag. Sammenlignet med konventionel absorber, denne modulering forekommer i et bredere frekvensområde på grund af virkningen af ​​ikke -privat degeneration på det perfekt absorberende ekstraordinære punkt. Dette fænomen forekommer ikke for et system uden tab, eller systemer, der har en balance mellem gevinst og tab.

"Dette arbejde bringer ny indsigt i, hvordan man udnytter forskellige former for tab til at manipulere et åbent fysisk system, "Sagde Yang." Tidligere har tab har muliggjort mange interessante fysiske fænomener i ikke-hermitisk optisk, akustiske og elektroniske systemer, men der er et stort potentiale i at udnytte de forskellige roller i forskellige tabskilder. For eksempel, her i dette værk spiller materialeabsorptionstabet en tydelig rolle fra det ikke-dissipative koblingstab ved skræddersyning af systemets spredningsegenskab. De forskellige typer tab beriger frihedsgraderne for optisk teknik. "

Denne opdagelse af utrivelig degenereret perfekt absorption af lys giver indsigt til forskellige anvendelser inden for fotonik, akustik, elektronik og kvantesystemer, Sagde Yang. De perfekt absorberende ekstraordinære punkter kan udnyttes til at konstruere optiske sensorer med ultrahøj følsomhed til nanopartikeldetektion, måling af rotationshastighed og billeddannelse af biovæv.

"Den rene nødvendighed af tab uden behov for gevinst gør designet enklere, mere tilgængelig, og mere stabil, på grund af det faktum, at tilføjelse af forstærkning til enhederne altid er meget mere besværligt og medfører yderligere støj, der forringer systemets ydeevne, "Sagde Yang." Tab er allestedsnærværende i naturen, og ved bedre at forstå det, vi gør det mere nyttigt. "