Natuurlijke en door de mens gemaakte fysieke structuren verliezen allemaal energie, en wetenschappers werken er hard aan om dat verlies te elimineren of te compenseren. Optische en fotonische apparaten verliezen energie door lichtverstrooiing, straling of materiaalabsorptie. In sommige situaties, echter, het opzettelijk maar zorgvuldig ontwerpen van verlies in open optische apparaten en systemen kan leiden tot onconventionele fysieke verschijnselen die nieuwe methoden voor optische controle en engineering inspireren.

Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner Professor in Electrical &Systems Engineering aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, en een team dat bestaat uit A. Douglas Stone, de Carl A. Morse hoogleraar toegepaste natuurkunde en natuurkunde aan de Yale University, en zijn lab ontdekte nieuwe benaderingen voor het manipuleren van lichtabsorptie in optische resonatoren door verschillende soorten optische verliezen. Ze bereikten een degeneratie van twee coherente perfect absorberende modi, wat leidt tot een onconventioneel verbreed absorptiespectrum en het vermogen om te schakelen tussen zwakke en sterke absorptie over een brede frequentieband. Het werk werd op 9 september gepubliceerd. 2021, in Wetenschap .

Het team van Yang gebruikt een experimenteel platform dat bekend staat als microresonators in de fluistergalerijmodus (WGM), genoemd naar de beroemde fluistergalerij in de Londense St. Paul's Cathedral, waar een persoon aan de ene kant van de galerij het gefluister van een andere persoon aan de andere kant van de galerij kan horen. Het optische WGM-apparaat werkt op dezelfde manier, hoewel met lichtfrequenties in plaats van geluid. Die structuren ondersteunen resonanties, d.w.z., alleen licht met een bepaalde frequentie kan lang in zo'n systeem blijven. Als gevolg van materiaalabsorptieverlies, het licht kan worden geabsorbeerd door de resonator. Verder, een vezelgolfgeleider wordt meestal tangentieel aan de rand van de resonator geplaatst om licht in of uit de resonator te koppelen. De koppeling tussen de resonator en de vezel creëert een extra niet-dissipatief koppelingsverlieskanaal, waardoor het licht dat in de resonator is opgesloten, uit de vezel kan ontsnappen.

De onderzoekers creëerden twee WGM-microresonatoren met verschillende absorptieverliezen en koppelden hun optische velden aan elkaar door ze dicht bij elkaar te plaatsen. Elke resonator is gekoppeld aan een vezelgolfgeleider. Door de opening tussen de resonatoren en golfgeleiders te veranderen, ze waren in staat om het koppelingsverlies af te stemmen.

In hun experiment hebben de onderzoekers bereikten een perfecte absorptie van inkomend licht van de golfgeleiderkanalen, een situatie die coherente perfecte absorptie (CPA) wordt genoemd, door de verhouding tussen de twee koppelingsverliezen en de twee absorptieverliezen te optimaliseren. CPA is het omgekeerde van de tijd van het laserproces - in plaats van het licht uit te stralen, het systeem absorbeert het verlichte licht volledig zonder emissie of uitstrooiing.

"In het algemeen, een lossy optisch systeem kan invallend licht absorberen, maar perfecte absorptie kan niet plaatsvinden tenzij de verliesparameters, zoals de verhouding tussen absorptie- en koppelingsverliezen, oordeelkundig is ontworpen en gecontroleerd, " zei Yang. "Wat meer is, om perfecte absorptie te laten plaatsvinden, de inkomende laserstralen moeten met een exacte frequentie oscilleren en worden geïnjecteerd vanuit twee golfgeleiderkanalen met een goed ontworpen verhouding van amplituden en fasen."

In een systeem met twee optische resonatoren, er zijn twee soorten golfvormen die volledig kunnen worden geabsorbeerd, en ze gebeuren op twee verschillende frequenties. Daarom, het systeem gedraagt ​​zich meestal als twee perfecte absorbers. Maar met een optimalisatie van de koppeling tussen de resonatoren afgestemd op hun opening, die twee frequenties en golfvormen versmelten waardoor er iets onconventioneels gebeurt. Door het systeem daarop af te stemmen, de onderzoekers observeerden voor het eerst een lijnvorm van het outputspectrum die breder is dan de conventionele Lorentziaanse lijnvorm.

"Wanneer de twee CPA-modi samenvloeien, het systeem bereikt een speciaal soort degeneratie dat een perfect absorberend uitzonderlijk punt wordt genoemd, " zei Changqing Wang, een doctoraalstudent in het lab van Yang en eerste auteur van het artikel. "Het is fundamenteel anders dan andere conventionele soorten degeneraties die werden gevonden in open golfsystemen. Het lijkt alsof je twee absorbers hebt die op dezelfde frequentie werken en perfect hetzelfde type straal absorberen. Maar het systeem gedraagt ​​​​zich heel anders dan een enkele absorber, noch gewoon de som van twee absorbers."

Met de gedegenereerde perfecte absorberende modi, door de relatieve vertraging van de twee laserstralen die de twee golfgeleiders binnenkomen enigszins te veranderen, de absorptie van het systeem kan sterk variëren van sterk tot zwak. In vergelijking met conventionele absorbers, deze modulatie vindt plaats in een breder frequentiebereik vanwege het effect van niet-triviale degeneratie op het perfect absorberende uitzonderlijke punt. Dit fenomeen doet zich niet voor bij een systeem zonder verlies, of systemen met een balans tussen winst en verlies.

"Dit werk brengt nieuw inzicht in hoe verschillende soorten verliezen kunnen worden gebruikt om een ​​open fysiek systeem te manipuleren, " zei Yang. "In het verleden, verlies heeft een groot aantal interessante fysische verschijnselen mogelijk gemaakt in niet-Hermitiaanse optische, akoestische en elektronische systemen, maar er is een groot potentieel in het benutten van de verschillende rollen van verschillende bronnen van verlies. Bijvoorbeeld, hier in dit werk speelt het materiaalabsorptieverlies een andere rol dan het niet-dissipatieve koppelingsverlies bij het afstemmen van de verstrooiingseigenschap van het systeem. De verschillende soorten verliezen verrijken de vrijheidsgraden voor optische engineering."

Deze ontdekking van niet-triviale gedegenereerde perfecte absorptie van licht brengt inzicht voor verschillende toepassingen in fotonica, akoestiek, elektronica en kwantumsystemen, zei Yang. De perfect absorberende uitzonderlijke punten kunnen worden benut om optische sensoren te ontwikkelen met ultrahoge gevoeligheid voor detectie van nanodeeltjes, meting van de rotatiesnelheid en beeldvorming van bioweefsel.

"De pure noodzaak van verlies zonder noodzaak voor winst maakt het ontwerp eenvoudiger, toegankelijker, en stabieler, vanwege het feit dat het toevoegen van versterking aan de apparaten altijd veel omslachtiger is en extra ruis met zich meebrengt die de systeemprestaties verslechtert, " Yang zei. "Verlies is alomtegenwoordig in de natuur, en door het beter te begrijpen, we maken het nuttiger."