【光纤|借助激光损耗实现完美吸收，所失亦可有所得】
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江苏激光联盟导读：
自然界中的“损耗”无所不在 ， 如何在损耗中实现“有所得”并优化一直是探索的重要命题！一研究团队通过不同类型的光损耗控制光谐振器中光吸收 ， 实现了两个相干完美吸收模式的简并 ， 形成了特殊的加宽吸收光谱 ， 并实现了在宽频带上强弱吸收之间的切换 。
研究人员创建了两个具有不同吸收损耗的WGM（Whispering Gallery Mode回音壁模式）微谐振器 ， 并通过将它们设置在一起来实现光场耦合 。 每个谐振器耦合到一个光纤波导 。 通过改变谐振器和波导之间的间隙 ， 他们能够调节耦合损耗 。 图片：圣路易斯华盛顿大学WASHINGTON UNIVERSITY IN ST. LOUIS/LAN YANG不管是天然的、还是人造的物理结构都存在能量“损耗” ， 科学家们一直致力于消除或补偿这种损耗 。 光学和光子器件的光散射、辐射或材料吸收都会形成能量损耗 。 然而 ， 在某些情况下 ， 在光学设备和系统中仔细设计损耗会导致非常规的物理现象 ， 而这激发了光学控制和工程学新方法的出现 。 圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院（McKelvey School of Engineering）电气和系统工程教授杨兰教授（美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授）和耶鲁大学应用物理学和物理学教授A.道格拉斯·斯通(A.Douglas Stone)及其领导的实验室组成的团队于2021年9月9日在《Science》杂志上发表了他们的新研究 ， 称他们发现了通过不同类型的光损耗控制光谐振器中光吸收的新方法 。 他们实现了两个相干完美吸收模式的简并 ， 这形成了特殊的加宽吸收光谱 ， 并实现了在宽频带上强弱吸收之间的切换 。 早在2018年初 ， 杨兰团队就利用回音壁模式的微型环芯腔实现了可调声子激光 ， 现如今又获新突破！杨的团队使用了一个回音壁模式的实验平台（这个平台是以伦敦圣保罗大教堂著名的回音壁命名的） ， 在这个平台上 ， 回音壁一侧的人可以听到回音壁另一端人的低语 。 光学WGM装置的作用类似 ， 只是将声音换成了光频 。
伦敦圣保罗大教堂
伦敦圣保罗大教堂内的回音廊（图片来源：维基百科）这一装置支持共振 ， 即只有具有特定频率的光才能在这样的系统中保持很长时间 。 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边缘相切放置 ， 用于将光耦合进/出谐振器 。 谐振器和光纤之间的耦合产生了额外的非耗散耦合损耗通道 ， 这使得谐振器内部捕获的光从光纤中逸出 。 研究人员创建了两个具有不同吸收损耗的WGM微谐振器 ， 并通过将它们放置在一起来耦合它们的光场 ， 将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 ， 他们能够调节耦合损耗 。 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 ， 这种情况被称为相干完美吸收(coherent perfect absorption-CPA) 。 系统不是将光发射出去 ， 而是完全吸收入射光 ， 没有任何发射或出射散射(Out-Scattering) 。 杨兰介绍到：“一般来说 ， 有损耗的光学系统的确能够吸收入射光 ， 但除非精巧设计、控制损耗参数（如吸收和耦合损耗之比） ， 否则无法实现完美的吸收 。 此外 ， 为了实现完美的吸收 ， 入射激光束必须以精确的频率振荡 ， 并以精心设计的振幅和相位比从两个波导通道入射” 。
在具有两个光学谐振器的系统中 ， 两种波形可以在两个不同的频率被完全吸收 。 因此 ， 系统通常表现为两个完美的吸收器 。 但是通过优化由它们的间隙调谐的谐振器之间的耦合 ， j将两个频率和波形合并 ， 使得“异常”事情得以发生 。 当两种CPA模式结合时 ， 系统达到一种特殊的简并 。 看起来有两个吸收器 ， 它们以相同的频率工作 ， 完美地吸收相同类型的光束 。 但该系统的表现与单个吸收器大不相同 ， 也不仅仅是两个吸收器的总和 。 利用简并完美吸收模式 ， 通过稍微改变进入两个波导的两个激光束的相对延迟 ， 系统的吸收可以从强到弱剧烈变化 。 与传统方法相比 ， 这种调制发生在更宽的频率范围 。 研究人员解释道：“这项工作为如何利用不同种类的损耗来控制物理系统带来了新的见解 。 过去 ， 损耗在非厄米光学、声学和电子系统中促成了许多有趣的物理现象 ， 但在利用不同损耗源方面尚不成熟 ， 这项工作或许能让我们未来一展拳脚、大有可为！例如 ， 在这项工作中 ， 材料吸收损耗与非耗散耦合损耗在定制系统的散射特性方面就有所裨益 ， 各种类型的损耗也让光学工程不断丰富 。 ”在杨兰看来 ， “必要的损耗而无需增益 ， 使得设计更简单、更易得、更稳定 。 因为给器件增加增益非常麻烦 ， 而且会带来额外的噪声 ， 从而降低系统性能 。 损耗在自然界中无处不在 ， 通过更好地理解它 ， 我们可以使它变得更加有用” 。 关于光的特异功能——简并完美吸收这一发现为光子学、声学、电子学和量子系统的各种应用带来了更多可能 。 完美吸收特性可用于设计超高灵敏度的光学传感器、纳米粒子检测、转速测量和生物组织成像 。 来源：Coherent perfect absorption at an exceptional point ， 9-Sep-2021 ， 10.1126/science.abj1028
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