美國(guó)黑科技：激光器和反激光器同時(shí)出現(xiàn)在同一器件中

寂靜天花板

/ {, m/ `8 M+ e+ g5 P0 T( Q可以想象，將相反的力量聚集在一個(gè)地方是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情，但在光學(xué)科學(xué)領(lǐng)域，研究人員剛剛完成了一項(xiàng)這樣的成就。

2 S+ W3 p2 b% x; ~, C美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）的科學(xué)家們第一次創(chuàng)造了一個(gè)單一的器件，其可以同時(shí)起到激光器和反激光器的作用，并且他們?cè)陔娦蓬l段內(nèi)演示了這兩個(gè)相反的功能。

他們的研究成果，在一篇即將發(fā)表在《自然*光子學(xué)》雜志上的文章中進(jìn)行了報(bào)道，這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)一類新的集成器件奠定了基礎(chǔ)，這類器件可以靈活地作為激光器，放大器，調(diào)制器和探測(cè)器使用。
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- I* U- I$ F* L( E“在一個(gè)單一的光學(xué)諧振腔中我們實(shí)現(xiàn)了在同一頻率的相干光放大和光吸收，這是一個(gè)違反直覺的現(xiàn)象，因?yàn)檫@兩種狀態(tài)從根本上是相互矛盾的，”該研究的首席研究員Xiang Zhang說，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的教員科學(xué)家。“這對(duì)于光通信中光脈沖的高速調(diào)制具有重要的作用。”

下面的原理圖顯示了輸入光（綠色）進(jìn)入到單個(gè)器件相對(duì)的兩端。當(dāng)輸入光1的相位快于輸入光2的相位（左圖），增益介質(zhì)占主導(dǎo)地位，從而得到對(duì)入射光的相干放大，或者說激射模式。當(dāng)輸入光1的相位慢于輸入光2的相位（右圖），損耗介質(zhì)占主導(dǎo)地位，從而導(dǎo)致對(duì)入射光束的相干吸收，或者說反激射模式。



反轉(zhuǎn)激光

, K+ j/ Z, |2 @4 |反激光器或稱相干完美吸收器（Coherent Perfect Absorber, CPA）的概念是在最近幾年才出現(xiàn)的東西，指的是將激光器所做的事情反過來(lái)完成的器件。相對(duì)于強(qiáng)烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相干光束。
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# ]+ s# v4 h% ^雖然激光在現(xiàn)代生活中已經(jīng)普遍存在，但是反激光器——五年前由耶魯大學(xué)的研究人員首次展示——的應(yīng)用仍在探索之中。由于反激光器可以在“嘈雜”的非相干背景光中提取微弱的相干信號(hào)，它可以用作一個(gè)非常敏感的化學(xué)或生物探測(cè)器。

( m6 C) b9 ?' E7 O! M4 ^9 [" r研究人員說，一種可以將這兩種功能結(jié)合在一起的器件可以成為構(gòu)造光子集成回路的一個(gè)有價(jià)值的單元。
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“以前從來(lái)沒有想象過可以根據(jù)需要來(lái)在相干放大和相干吸收之間任意地對(duì)光進(jìn)行控制，科學(xué)界一直以來(lái)都在探索著這種可能，”該論文的主要作者Zi Jing Wong說，他是Zhang實(shí)驗(yàn)室的一名博士后研究員。“這一器件可能會(huì)帶來(lái)沒有理論極限的具有很大對(duì)比度的調(diào)制。”

這些研究人員利用先進(jìn)的納米加工技術(shù)制造了824對(duì)重復(fù)的增益和損耗材料來(lái)構(gòu)成這個(gè)器件，該器件長(zhǎng)為200微米，寬為1.5微米。作為比較，人的一根頭發(fā)的直徑約為100微米。

+ g. ^1 \: a0 E0 m2 f/ J增益介質(zhì)由銦鎵砷磷（InGaAsP）制成，這是一種眾所周知的用作光通信放大器的材料。鉻與鍺配對(duì)形成損耗介質(zhì)。重復(fù)該結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生了一個(gè)諧振系統(tǒng)，光在這個(gè)系統(tǒng)中來(lái)回反射，形成放大或吸收。
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如果我們使光通過這樣一個(gè)增益-損耗的重復(fù)系統(tǒng)，那么一個(gè)憑經(jīng)驗(yàn)的猜測(cè)是，光將經(jīng)歷等量的放大和吸收，而光的強(qiáng)度不會(huì)改變。然而，這個(gè)例子談?wù)摰牟皇沁@個(gè)系統(tǒng)是否滿足宇稱-時(shí)間對(duì)稱條件，雖然宇稱-時(shí)間對(duì)稱是該器件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要求。
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平衡和對(duì)稱
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宇稱-時(shí)間對(duì)稱是一個(gè)由量子力學(xué)演化而來(lái)的概念。在一個(gè)對(duì)稱操作中，位置被翻轉(zhuǎn)，就像左手變成右手，或者反過來(lái)。

# e7 u2 s# ~3 i' V+ {+ {現(xiàn)在增加時(shí)間反轉(zhuǎn)操作，這類似于錄像帶倒帶并從后往前觀看其動(dòng)作。例如，氣球充氣過程的時(shí)間反轉(zhuǎn)動(dòng)作是將同樣的氣球放氣。在光學(xué)中，放大增益介質(zhì)的時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)物是吸收損耗介質(zhì)。

9 t$ Z* y' [' w/ I% w( p1 d如果一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)稱和時(shí)間反轉(zhuǎn)操作后能夠返回到其原來(lái)配置，則認(rèn)為該系統(tǒng)滿足宇稱-時(shí)間對(duì)稱條件。
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在反激光器被發(fā)現(xiàn)后不久，科學(xué)家們就已經(jīng)預(yù)測(cè)，一個(gè)具有宇稱-時(shí)間對(duì)稱性的系統(tǒng)將可以在同一空間同一頻率下同時(shí)支持激光器和反激光器。在張和他的研究小組所創(chuàng)造的器件中，增益和損耗的大小，構(gòu)成單元的尺寸，以及通過的光波長(zhǎng)結(jié)合在一起構(gòu)成了宇稱-時(shí)間對(duì)稱的條件。
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當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，增益和損耗相等時(shí)，沒有對(duì)光的凈放大或凈吸收。但是，如果條件被擾動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)稱性被打破，那么就可以觀察到相干放大和吸收。

在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)相同強(qiáng)度的光束被導(dǎo)向該器件相反的兩端。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變一個(gè)光源的相位，他們能夠控制光波是在放大材料中還是在吸收材料中花更多的時(shí)間。

" v% I# T) X  u  ^加快一個(gè)光源的相位，會(huì)得到一個(gè)有利于增益介質(zhì)或者相干光放大的干涉圖案，或者稱為激射模式。減緩一個(gè)光源的相位則具有相反的效果，會(huì)導(dǎo)致在損耗介質(zhì)中花費(fèi)更多的時(shí)間以及對(duì)光束的相干吸收，或著稱為反激射模式。

如果這兩個(gè)波長(zhǎng)的相位是相等的，并且它們?cè)谕粫r(shí)間進(jìn)入該器件，則既不會(huì)放大也不會(huì)吸收，因?yàn)楣庠诿總€(gè)區(qū)域花費(fèi)了相等的時(shí)間。

研究人員將目標(biāo)波長(zhǎng)定在了約1556納米，其位于光通信所使用的波段內(nèi)。

& d! |+ K- X) X( K; A9 e- u“這項(xiàng)工作是第一個(gè)展示了嚴(yán)格滿足宇稱-時(shí)間對(duì)稱條件的平衡增益-損耗示例，導(dǎo)致了同時(shí)激射和反激射的實(shí)現(xiàn)，”該論文的共同作者Liang Feng說，他以前是Zhang實(shí)驗(yàn)室的一名博士后研究員，現(xiàn)在是布法羅大學(xué)的電氣工程助理教授。“在一個(gè)單一的集成器件中成功實(shí)現(xiàn)激射和反激射是邁向終極光控制極限的一大步。”
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Zhang同時(shí)還是加州大學(xué)伯克利分校國(guó)家科學(xué)基金納米科學(xué)與工程中心的教授和主任。

0 @& i( t& F9 n' r! P3 W這項(xiàng)工作主要由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助，并利用了分子工廠（Molecular Foundry）——一個(gè)位于伯克利實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。
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