前沿进展 | 在完美手性吸收二次谐波发生器中的自诱导透明

论文导读

      材料对电磁能量的吸收是许多应用的基础现象，近年来，研究人员发现通过控制入射波之间的干涉，可以实现对电磁辐射的完全吸收，这类系统被称作相干完美吸收体（CPA），其在光学信息处理，能量存储，光电探测，光学传感等领域有广泛的应用前景。近日，上海交通大学万文杰教授团队联合华东师范大学程亚教授团队，用实验演示了一个完美吸收光学微腔的自诱导透明效应，该微盘腔系统在线性条件下完全吸收低功率入射波，但增大输入功率后，基频光波与二次谐波之间的非线性耦合打破了相干破坏的条件，系统变为部分透明。此外，研究人员还利用微腔表面附着的散射颗粒破坏微腔的手性对称性，使系统具有非对称性散射特征，然后通过相位变化实现了对完美吸收态的手性相干控制。这种相干控制可以进一步扩展到二次谐波，从而产生具有高分辨比的二次谐波手性激发。这些结果在其他具有非线性的物理系统中具有普遍性。研究工作于2022年10月以 “Self-induced transparency in a perfectly absorbing chiral second-harmonic generator” 为题发表于PhotoniX 期刊。

研究背景

      对入射辐射的完美吸收在光学、微波、声学、力学以及物质波等许多领域都至关重要。2010年，A. Douglas Stone 团队提出了相干完美吸收体（CPA）的概念，通过考虑精确时间反转激光器，巧妙地将损耗添加到腔体设计中，从而产生光谱中的“黑洞”奇点，在此处系统可以完美地吸收所有入射电磁波。在过去十几年的探索中，研究人员已经在多种平台实现了CPA，包括超薄超表面，石墨烯结构，波导，回音壁模式（WGM）微腔等，其中WGM微腔以其模式体积小，品质因子（Quality factor）高等优点而被大家所青睐。尽管CPA最初是在光学领域提出和实现的，它很快就吸引了广大研究人员的注意，扩展到从微波到声学的所有经典波领域。之前大多数工作都是在线性条件下研究的，入射波不会影响CPA本身，当波振幅增大到一定程度后，非线性效应会打破相干破坏干涉的平衡，相干完美吸收的条件被破坏，虽然在此之前未有相关实验报道，但是可以预见系统将会转变为部分透明。

      光的传播通常具有互易性，可在光学应用中很多时候需要光只沿着一个方向传播，此时就要破坏光的互易性，常见的相关器件有隔离器和环形器等，这类器件都是基于磁光效应，体积大，难以集成。近几年，手性微腔开始进入人们的视野，手性是由特定的结构决定的，它可以使得WGM只沿着顺时针（CW）或逆时针（CCW）传播。一个简单可行的方案是利用两个散射颗粒附着在WGM微腔表面，破坏微腔的旋转对称性，从而获得手性微腔。手性微腔为光学结构中的对称破缺物理提供了一个很有前景的研究平台，并提供了一种可集成非互易光学元件的手段。

技术突破

      电磁诱导透明（EIT）能够利用外加相干光场来诱导原子系统的相消干涉来抵消媒介对某种光的吸收，使得本来不透明的材料从不透明变为透明，实现EIT往往需要依赖于一些外部的手段，例如第二束相干激光。由于原子具有很强的非线性，自诱导透明的广泛研究主要集中在原子领域，在光学微腔中还没有发现相关的报道。研究人员使用绝缘体上铌酸锂（LNOI）薄膜制作的高Q（~10⁶）微盘腔与锥形光纤耦合，在1550nm通信波段实现了单端口完美吸收器的自诱导透明。实验结果如图1所示，在低功率（175uW）入射的情况下，没有非线性效应发生，此时泵浦光的透射谱为标准的洛伦兹线型。研究人员利用压电位移台精准地调节锥形光纤与微腔之间的耦合距离以达到临界耦合条件，此刻入射光的吸收率高达99%。随着泵浦激光器功率的逐渐升高到毫瓦量级，SHG信号开始被检测到，表示能量开始从基频转换到倍频，同时泵浦透过率开始升高，意味着吸收率开始降低。图2b显示，当泵浦激光达到25.2mW时，其透射率从几乎为零提高到约40%，这与它在低功率线性状态下的完美吸收形成了鲜明的对比。这种在单端口CPA结构中非线性动力学表示的自诱导透明仅与输入激光的功率有关。

      此外，实验所用微盘腔因其表面存在两个散射点而具有非对称的散射特性，即CW模式与CCW模式之间的背向散射强度不同，研究人员利用此特性，在低功率线性情况通过双端口入射，首次观察到了单个微腔中的CPA手性行为。这种手性行为可以进一步拓展到非线性情况，由于腔内基频CW和CCW模之间的干涉，可以直接观察到相位可控的手性SHG。如图2所示，所有的结果都是在泵浦零失谐点（△₁=0）测量，在该频率处，通过衰减器控制两个端口的入射光功率比值，然后用相位调制器控制两条光束的相对相位。当P_right/P_left=0.45时，在零相位延迟处可以观察到CCW模式的SHG发生湮灭，几乎所有的SHG以手性方式沿CW方向出射（图2b）。这是由基频ω处两个同相入射光束之间的破坏性干涉引起的，又因为微腔的非对称散射特性，导致腔内基频CW和CCW模式中只有一个可以发生完全破坏性干涉，无法激发二次谐波。这些结果为未来的单向SHG和相干控制非线性过程提供了一个有吸引力的工具。

观点评述

      本文在一个光学铌酸锂手性微腔中实验证明了自诱导透明效应，该微盘腔能够在低功率线性情况下完全吸收入射波，但是在高功率非线性情况下转换为部分透明。另一方面，通过控制入射波的相对相位，实现了手性完美吸收的相干调控和手性二次谐波的激发。光信号自诱导透明类似于电子二极管的非线性行为，与电二极管的正向偏置场景类似，在偏置电压小的情况下，信号传输相对较低，但在电压较大的情况下，信号传输呈非线性并急剧增加，本工作为光学二极管提供了一种新的思路。此外，还可以通过相干控制设计二次谐波的输出端口，实现可控的单方向激光发射，突破了以往由于相位匹配条件导致的二次谐波必须与泵浦同向传播的限制。这些物理机制在微波、声学、力学和物质波等多学科中是通用的，为相干控制和非线性诱导透明在信息处理和频率转换中的实际应用铺平了道路。

主要作者

      侯建坤，上海交通大学密西根学院博士研究生，研究方向为微腔中的非线性光学。

      万文杰，现任上海交通大学密西根学院、物理与天文学院研究员，博士生导师，国家重要人才计划（青年）、国家国家科技部重点研发计划项目首席科学家（青年）。研究领域为非线性纳米光学，多篇研究成果发表于国际著名期刊，包括Physical Review Letters、Light、Optica等，并受邀为多家国际一流期刊审稿。现今课题组主要研究集中在微纳光学，非线性光学，以及光学超分辨研究。

       程亚，华东师范大学教授，上海光机所研究员。国家杰出青年基金获得者，国家科技部重点研发计划项目首席科学家。获2010年度上海市自然科学一等奖（排名第三）、2014年上海市自然科学牡丹奖、2014年“中国科学院朱李月华优秀教师奖”。2012年当选英国物理学会会士。从事非线性光学与激光微纳制造研究，发明了狭缝整形、时空聚焦激光直写、化学机械抛光辅助光刻等具有应用价值的技术。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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