Когерентный идеальный поглотитель
Когерентный идеальный поглотитель ( CPA ), или антилазер , представляет собой устройство, которое поглощает когерентные волны, такие как когерентные световые волны, и преобразует их в некоторую форму внутренней энергии, например, в тепло или электрическую энергию. [1] [2] Это обращенный во времени аналог лазера . [3] Когерентное идеальное поглощение позволяет управлять волнами с помощью волн (света со светом) без нелинейной среды. Концепция была впервые опубликована в журнале Physical Review Letters от 26 июля 2010 года командой Йельского университета под руководством теоретика А. Дугласа Стоуна и физика-экспериментатора Хуэй В. Цао . [4] [5] В выпуске Physical Review A от 9 сентября 2010 года Стефано Лонги из Миланского политехнического университета показал, как объединить лазер и антилазер в одном устройстве. [6] В феврале 2011 года команда Йельского университета создала первый работающий антилазер. [7] [8] Это двухканальное устройство CPA, которое поглощает два луча одного и того же лазера, но только тогда, когда лучи имеют правильные фазы и амплитуды. [9] Первоначальное устройство поглощало 99,4 процента всего падающего света, но команда, стоящая за изобретением, считает, что можно будет достичь 99,999 процента. [7] Первоначально реализованный как резонатор Фабри-Перо толщиной во много длин волн, оптический CPA работает на определенных оптических частотах. В январе 2012 года был предложен тонкопленочный CPA с использованием ахроматической дисперсии металлоподобных материалов, демонстрирующий беспрецедентную ширину полосы пропускания и преимущества тонкого профиля. [10] Вскоре после этого CPA наблюдался в различных тонкопленочных материалах, включая фотонные метаматериалы . [11] многослойный графен , [12] одинокий [13] и несколько [14] слои хрома, а также микроволновый метаматериал. [15]
Противолазерный принцип и демонстрация
[ редактировать ]В первоначальной конструкции идентичные лазерные лучи направлялись на противоположные стороны полости, состоящей из кремниевой пластины , светопоглощающего материала, действующего как «среда потерь». Хотя свет, падающий с одной стороны, будет частично передаваться и отражаться, одновременное освещение обеих сторон может привести к деструктивной интерференции всех прошедших и отраженных волн. Такое полное подавление передачи и отражения удерживает оптическую энергию в среде потерь до тех пор, пока она полностью не поглотится. Фотоны прыгают взад и вперед , пока не поглощаются и не преобразуются в тепло. [9] [7] Напротив, обычный лазер использует усиливающую среду , которая усиливает свет, а не поглощает его.
Когерентное идеальное поглощение и передача в тонких пленках
[ редактировать ]Если поглощающая среда тонка по сравнению с длиной волны , то конструктивная интерференция взаимно-когерентных волн, падающих на противоположные стороны поглотителя, увеличит уровень поглощения, а деструктивная интерференция - подавит его. Для идеальной тонкой пленки когерентного поглотителя поглощение можно увеличить до 100% и подавить до 0%, при этом поглощение можно настроить между этими крайними значениями, регулируя разность фаз между падающими волнами. [11] Необходимые условия для когерентного идеального поглощения включают в себя то, что пленка при освещении только с одной стороны будет действовать как светоделитель (с потерями) , пропуская и отражая равные доли падающей мощности. Необходимые условия для когерентной идеальной передачи включают в себя то, что при освещении с одной стороны по 25% падающей мощности передается и отражается с каждой.
поглощение ~ 10 фемтосекундных световых импульсов, а это означает, что оно может обеспечить полосу пропускания около 100 ТГц. Когерентное идеальное поглощение в тонких пленках происходит сверхбыстро: было продемонстрировано [16] Демонстрация CPA одиночных фотонов [17] указывает на то, что этот эффект совместим с сколь угодно низкими интенсивностями и открыл возможности для квантовых технологий. [14]
Хотя обычно рассматривают поглощение электромагнитных волн, эта концепция применима и к другим волнам (например, звуковым волнам). [18] ) и другие явления. Действительно, поскольку конструктивная и деструктивная интерференция волн на тонком материале усиливает и подавляет взаимодействие волны с веществом, таким образом можно контролировать любое воздействие среды на волну, включая эффекты поляризации, связанные с киральностью и анизотропией . [19] а также рефракция [20] и нелинейно-оптические явления. [21]
Приложения
[ редактировать ]Когерентные идеальные поглотители можно использовать для создания абсорбционных интерферометров, которые могут быть полезны в детекторах, преобразователях и оптических переключателях. [4] Еще одно потенциальное применение — радиология, где принцип CPA можно использовать для точного нацеливания электромагнитного излучения внутри тканей человека в терапевтических целях или целях визуализации. [7]
Интеграция тонких когерентных совершенных поглотителей в волноводы [22] привела к демонстрациям принципа быстрой и низкоэнергетической полностью оптической обработки сигналов и криптографии, [23] при интеграции CPA с системами визуализации [24] позволил продемонстрировать полностью оптическую фокусировку, [25] распознавание образов и обработка изображений, [26] и массово-параллельная полностью оптическая обработка сигналов. В принципе, такие приложения могут обеспечить чрезвычайно высокую пропускную способность и низкое энергопотребление.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гмахл, Клэр Ф. (2010). «Лазерная наука: любители света» . Природа . 467 (7311): 37–39. Бибкод : 2010Natur.467...37G . дои : 10.1038/467037а . ПМИД 20811446 .
- ^ «Вот, Антилазер» . Новости науки. Архивировано из оригинала 15 ноября 2012 г. Проверено 7 сентября 2010 г.
- ^ Лонги, Стефано (2010). «Обратная генерация дает идеальный поглотитель» . Физика . 3 : 61. Бибкод : 2010PhyOJ...3...61L . дои : 10.1103/Физика.3.61 .
- ^ Перейти обратно: а б Чонг, Ю.; Ге, Ли; Цао, Хуэй; Стоун, А. (2010). «Когерентные идеальные поглотители: обращенные во времени лазеры». Письма о физических отзывах . 105 (5): 053901. arXiv : 1003.4968 . Бибкод : 2010PhRvL.105e3901C . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.053901 . ПМИД 20867918 . S2CID 17003350 .
- ^ Стефано Лонги (2010). «Обратная генерация дает идеальный поглотитель» . Физика . 3 : 61. Бибкод : 2010PhyOJ...3...61L . дои : 10.1103/Физика.3.61 .
- ^ Стефано Лонги (2010). «ПТ-симметричный лазерный поглотитель». Физический обзор А. 82 (3): 031801. arXiv : 1008.5298 . Бибкод : 2010PhRvA..82c1801L . дои : 10.1103/PhysRevA.82.031801 . S2CID 119157414 . ( Краткий обзор Марка Саффмана. )
- ^ Перейти обратно: а б с д «Ученые создают первый в мире противолазер» . Йельский университет. 17 февраля 2011 г. Архивировано из оригинала 21 февраля 2011 г. Проверено 17 февраля 2011 г.
- ^ «Ученые создают первый в мире противолазер» . Би-би-си. 17 февраля 2011 г. Проверено 17 февраля 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ван, В.; Чонг, Ю.; Ге, Л.; Нох, Х.; Стоун, AD; Цао, Х. (2011). «Обращенная во времени генерация и интерферометрический контроль поглощения». Наука . 331 (6019): 889–892. Бибкод : 2011Sci...331..889W . дои : 10.1126/science.1200735 . ПМИД 21330539 . S2CID 206531272 .
- ^ Перейти обратно: а б Пу, М.; Фэн, Кью; Ван, М.; Ху, К.; Хуанг, К.; Ма, Х.; Чжао, З.; Ван, К.; Луо, X. (17 января 2012 г.). «Ультратонкий широкополосный почти идеальный поглотитель с симметричным когерентным освещением» . Оптика Экспресс . 20 (3): 2246–2254. Бибкод : 2012OExpr..20.2246P . дои : 10.1364/oe.20.002246 . ПМИД 22330464 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжан, Дж.; Макдональд, К.Ф.; Желудев Н.И. (6 июля 2012 г.). «Управление светом с помощью света без нелинейности» . Свет: наука и приложения . 1 : е18. arXiv : 1203.6110 . дои : 10.1038/lsa.2012.18 .
- ^ Рао, С.М.; Хейтц, JJF; Роджер, Т.; Вестерберг, Н.; Фаччо, Д. (2014). «Когерентный контроль взаимодействия света с графеном». Оптические письма . 39 : 5345–5374. arXiv : 1406.6217 . дои : 10.1364/OL.39.005345 .
- ^ Гударзи, А.; Ганаатшоар, М. (2016). «Управление светом светом: когерентный полностью оптический транзистор на основе фотонных кристаллов». Журнал Оптического общества Америки Б. 33 : 1594–1599. дои : 10.1364/JOSAB.33.001594 .
- ^ Перейти обратно: а б Ветлугин А.Н.; Го, Р.; Соци, К.; Желудев Н.И. (2022). «Детерминированная генерация запутанности в квантовой сети путем когерентного поглощения одного фотона». Физический обзор А. 106 : 012402. doi : 10.1103/PhysRevA.106.012402 . hdl : 10356/170804 .
- ^ Ли, С.; Луо, Дж.; Анвар, С.; Ли, С.; Лу, В.; Ханг, Ж.Х.; Лай, Ю.; Хоу, Б.; Шен, М.; Ван, К. (2015). «Широкополосное идеальное поглощение ультратонкими проводящими пленками с когерентным освещением: суперэффективность электромагнитного поглощения». Физический обзор B . 91 (22): 220301. arXiv : 1406.1847 . Бибкод : 2015PhRvB..91v0301L . дои : 10.1103/PhysRevB.91.220301 . S2CID 118609773 .
- ^ Налла, В.; Валенте, Дж. Ф.; Вс, Привет; Желудев Н.И. (2017). «Темные импульсы длительностью 11 фс, генерируемые в результате когерентного поглощения в плазмонном метаматериале» . Оптика Экспресс . 25 : 22620. doi : 10.1364/OE.25.022620 . hdl : 10220/43706 .
- ^ Роджер, Т.; Веццоли, С.; Болдук, Э.; Валенте, Япония; Хейтц, JJF; Джефферс, Дж.; Соци, К.; Лич, Дж.; Куто, CI; Желудев Н.И.; Фаччо, Д. (2015). «Когерентное идеальное поглощение в глубоко субволновых пленках в однофотонном режиме» . Природные коммуникации . 6 : 7031. дои : 10.1038/ncomms8031 . ПМК 4455071 .
- ^ Вэй, П.; Кроэнн, К.; Так Чу, С.; Ли, Дж. (2014). «Симметричное и антисимметричное когерентное идеальное поглощение акустических волн». Письма по прикладной физике . 104 : 121902. дои : 10.1063/1.4869462 .
- ^ Мусави, С.А.; Слива, Э.; Ши, Дж.; Желудев Н.И. (2014). «Когерентный контроль двойного лучепреломления и оптической активности». Письма по прикладной физике . 105 : 011906. дои : 10.1063/1.4890009 . hdl : 10220/46790 .
- ^ Ши, Дж.; Фанг, X.; Роджерс, ETF; Слива, EP; Макдональд, К.Ф.; Желудев Н.И. (2014). «Когерентное управление законом Снелла на метаповерхностях» . Оптика Экспресс . 22 : 21051–21060. дои : 10.1364/OE.22.021051 . hdl : 10220/20668 .
- ^ Рао, С.М.; Лион, А.; Роджер, Т.; Клеричи, член парламента; Желудев Н.И.; Фаччо, Д. (2015). «Геометрии для когерентного управления четырехволновым смешением в мультислоях графена» . Научные отчеты . 5 : 15399. дои : 10.1038/srep15399 . ПМЦ 4613863 .
- ^ Ксомалис, А.; Демирциоглу И.; Слива, Э.; Юнг, Ю.; Налла, В.; Лакава, К.; Макдональд, К.Ф.; Петропулос, П.; Ричардсон, диджей; Желудев Н.И. (2018). «Волоконно-оптическое метаустройство для полностьюоптической модуляции сигналов на основе когерентного поглощения» . Природные коммуникации . 9 : 182. дои : 10.1038/s41467-017-02434-y . ПМЦ 5766546 .
- ^ Ксомалис, А.; Демирциоглу И.; Юнг, Ю.; Слива, Э.; Лакава, К.; Петропулос, П.; Ричардсон, диджей; Желудев, Н.И. (2019). «Криптография в когерентных оптических информационных сетях с использованием диссипативных вентилей метаматериала» . АПЛ Фотоника . 4 : 046102. дои : 10.1063/1.5092216 . hdl : 10220/49488 .
- ^ Папайоанну, М.; Слива, Э.; Валенте, Дж.; Роджерс, ETF; Желудев Н.И. (2016). «Двумерное управление светом с помощью света на метаповерхностях» . Свет: наука и приложения . 5 : e16070. дои : 10.1038/lsa.2016.70 . ПМК 6059948 .
- ^ Папайоанну, М.; Слива, Э.; Роджерс, ETF; Желудев Н.И. (2018). «Полностьюоптическая динамическая фокусировка света посредством когерентного поглощения в плазмонной метаповерхности» . Свет: наука и приложения . 7 : 17157. дои : 10.1038/lsa.2017.157 . ПМК 6060048 .
- ^ Папайоанну, М.; Слива, Э.; Желудев Н.И. (2017). «Полностью оптическое распознавание образов и обработка изображений на светоделителе из метаматериала» . АСУ Фотоника . 4 : 217. doi : 10.1021/acsphotonics.6b00921 .