Разработка различных источников потерь дает новые возможности для идеального поглощения света
Лан Ян, профессор кафедры электротехники и системотехники Эдвина Х. и Флоренс Г. Скиннер в инженерной школе Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе, а также команда, в которую входит А. Дуглас Стоун, профессор прикладных наук Карла А. Морса. Физико-физический факультет Йельского университета и его лаборатория открыли новые подходы к управлению поглощением света в оптических резонаторах с помощью различных типов оптических потерь. Они достигли вырождения двух когерентных мод совершенного поглощения, что привело к необычно расширенному спектру поглощения и способности переключаться между слабым и сильным поглощением в широкой полосе частот. Работа была опубликована 9 сентября 2021 г. в Наука.
Команда Яна использует экспериментальную платформу, известную как микрорезонаторы режима шепчущей галереи (WGM), названные в честь известной галереи шепота в лондонском соборе Святого Павла, где человек на одной стороне галереи может слышать шепот другого человека на противоположном конце галереи. Галерея. Оптическое устройство WGM действует аналогично, но с свет частоты, а не звук. Эти структуры поддерживают резонансы, т.е. только свет определенной частоты может оставаться в такой системе долгое время. В результате потери материала на поглощение свет может поглощаться резонатором. Кроме того, волоконный волновод обычно размещается по касательной к краю резонатора для ввода света в резонатор или из него. Связь между резонатором и волокном создает дополнительный канал недиссипативных потерь связи, который позволяет свету, захваченному внутри резонатора, выходить из волокна.
Исследователи создали два микрорезонатора WGM с разными потерями на поглощение и соединили их оптические поля, установив их близко друг к другу. Каждый резонатор соединен с волоконным волноводом. Изменяя зазор между резонаторами и волноводами, они могли регулировать потери связи.
В своем эксперименте исследователи достигли идеального поглощения входящего света из волноводных каналов, ситуации, называемой когерентным совершенным поглощением (CPA), путем оптимизации соотношения между двумя потерями связи и двумя потерями на поглощение. CPA – это процесс, обратный во времени по отношению к процессу генерации: вместо того, чтобы излучать свет, система полностью поглощает освещенный свет без какого-либо излучения или рассеяния.
«В общем, оптическая система с потерями способна поглощать входящий свет, но идеальное поглощение не может произойти, если параметры потерь, такие как соотношение между поглощением и потерями связи, не будут продуманно спроектированы и контролируются», – сказал Ян. «Более того, для достижения идеального поглощения входящие лазерные лучи должны колебаться с точной частотой и инжектироваться из двух волноводных каналов с хорошо продуманным соотношением амплитуд и фаз».
В системе с двумя оптическими резонаторами есть два типа сигналов, которые могут быть полностью поглощены, и они происходят на двух разных частотах. Поэтому система обычно ведет себя как два совершенных поглотителя. Но с оптимизацией связи между резонаторами, настроенными по их зазору, эти две частоты и формы волны сливаются, создавая нечто необычное. Настроив систему на эту точку, исследователи впервые наблюдали форму линии выходного спектра, которая шире, чем обычная форма линии Лоренца.
«Когда два режима CPA сливаются, система достигает особого вида вырождения, который называется исключительной точкой идеального поглощения», – сказал Чанцин Ван, докторант в лаборатории Яна и первый автор статьи. «Это фундаментально отличается от других традиционных типов вырождения, которые были обнаружены в открытых волновых системах. Кажется, у вас есть два поглотителя, которые работают на одной частоте и отлично поглощают один и тот же тип луча. Но система ведет себя совсем не так, как отдельный поглотитель, а не просто сумма двух поглотителей ».
С вырожденными модами идеального поглощения, слегка изменяя относительную задержку двух лазерных лучей, которые входят в два волновода, поглощение системы может резко меняться от сильного до слабого. По сравнению с обычным поглотителем, эта модуляция происходит в более широком диапазоне частот из-за эффекта нетривиального вырождения в исключительной точке с идеальным поглощением. Это явление не происходит в системе без потерь или в системах с балансом прибыли и убытка.
«Эта работа дает новое понимание того, как использовать различные виды потерь для управления открытой физической системой», – сказал Ян. «В прошлом потери приводили к появлению множества интересных физических явлений в неэрмитовых оптических, акустических и электронных системах, но есть большой потенциал в использовании различных ролей различных источников потерь. Например, здесь, в этой работе, потери на поглощение материала играют отличную роль от недиссипативных потерь связи в настройке рассеивающих свойств системы. Различные типы потерь обогащают степени свободы оптической инженерии ».
По словам Янга, это открытие нетривиального вырожденного идеального поглощения света дает возможность проникнуть в суть различных приложений в фотонике, акустике, электронике и квантовых системах. Идеально поглощающие исключительные точки можно использовать для создания оптических датчиков со сверхвысокой чувствительностью для обнаружения наночастиц, измерения скорости вращения и визуализации биоткани.
«Чистая необходимость потерь без необходимости усиления делает конструкцию более простой, доступной и более стабильной, поскольку добавление усиления к устройствам всегда намного более громоздко и вызывает дополнительный шум, ухудшающий производительность системы», – сказал Ян. сказал. «Потери вездесущи по своей природе, и, лучше понимая их, мы делаем их более полезными».
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
