在异常点的相干完美吸收

美国圣路易斯华盛顿大学和耶鲁大学的研究团队发现了一种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。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。相关论文发表在《Science》上。

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。

非厄米物理学领域为研究开放系统中的非常规物理现象提供了肥沃的土壤，许多最有趣的现象发生在异常点 (EP) 处，即波动系统参数空间中的奇点，在该奇点处，两个或多个离散特征值和非厄米系统的相关特征状态合并。

图注，研究人员创造了两个具有不同吸收损耗的WGM微谐振器，并通过将它们紧密地放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。

这里，研究人员创建了两个具有不同吸收损耗的回音壁模式 (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。实验中，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，系统没有发出光，而是完全吸收照明光，没有任何发射或外散射。

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，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。

通常，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。

当两种 CPA 模式合并时，系统会达到一种特殊的简并状态，称为完美吸收异常点。该系统的行为与单个吸收器有很大不同，也不仅仅是两个吸收器的总和。对于简并完美吸收模式，通过稍微改变进入两个波导的两束激光束的相对延迟，系统的吸收可以从强到弱显着变化。它与在开放波系统中发现的其他传统类型的简并性有着根本的不同。看起来有两个以相同频率工作并完美吸收相同类型光束的吸收器。与传统吸收器相比，这种调制发生在更宽的频率范围内，因为完美吸收异常点的非平凡简并效应。这种现象不会发生在没有损耗的系统中，也不会发生在益损平衡的系统中。

这项工作为如何利用不同类型的损失来操纵开放的物理系统带来了新的见解，过去，损耗在非厄米光学、声学和电子系统中实现了许多有趣的物理现象，但在利用不同损耗源的不同作用方面具有巨大潜力。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起着不同的作用。各种类型的损耗丰富了光学工程的自由度。

这一对光的非平凡简并完美吸收的发现为光子学、声学、电子学和量子系统的各种应用带来了见解。完美吸收的异常点可用于设计具有超高灵敏度的光学传感器，用于纳米粒子检测、转速测量和生物组织成像。

纯粹需要损耗而不需要增益使设计更简单、更易于访问和更稳定，因为向设备添加增益总是要麻烦得多，并且会带来额外的噪声，从而降低系统性能。损失在自然界中无处不在，通过更好地理解它，让它变得更有用。