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E. Galiffi, A. Harwood, S. Vezzoli, R. Tirole, A. Alu, R. Sapienza, Optical coherent perfect absorption and amplification in a time-varying medium, (2026).

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https://doi.org/10.1038/s41566-025-01833-8

研究背景

傳統(tǒng)光學(xué)中的相干完全吸收依賴材料本征損耗和空間共振結(jié)構(gòu)，通常表現(xiàn)為窄帶響應(yīng)且工作狀態(tài)固定，難以在同一器件中靈活切換吸收與放大功能。相比之下，時間調(diào)制介質(zhì)在外部泵浦驅(qū)動下突破了能量守恒約束，即使不引入內(nèi)稟增益或損耗，也能通過參數(shù)過程實現(xiàn)對光的放大或衰減，被視為突破靜態(tài)光學(xué)限制的重要方向。然而，在時間周期調(diào)制體系中，盡管增益模與損耗模同時存在，既有研究多集中于單向入射情形，實際只能激發(fā)增益模，且在光學(xué)頻段實現(xiàn)相干操控仍面臨實驗與物理機制上的挑戰(zhàn)�；谶@一背景，該工作將空間相干完全吸收的干涉選模思想引入時間域，探索在光學(xué)頻率下通過相干照明實現(xiàn)時間調(diào)制介質(zhì)中增益與損耗的可切換控制，從而為時間域相干完全吸收與放大的統(tǒng)一實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

研究內(nèi)容

文章首先提出時間域相干操控的核心思想，對比空間相干完全吸收與時間調(diào)制介質(zhì)中的新機制。通過示意圖說明，傳統(tǒng)空間 CPA 依賴材料損耗與空間干涉，而在時間調(diào)制介質(zhì)中，通過兩束反向傳播探測光的相干照明，可以在同一結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)吸收與放大的切換，其本質(zhì)不再由材料本征損耗或增益決定，而由時間調(diào)制與相位干涉共同控制。

圖1.相干照明時變介質(zhì)以實現(xiàn)增益與損耗的概念

（a)上：空間相干完美吸收（CPA）依賴于以多個入射光束照明一個有損諧振腔，并要求這些光束之間滿足特定的振幅與相位關(guān)系;（a）下：其時間反演過程——激光——通過恰當(dāng)設(shè)計某一模態(tài)與增益介質(zhì)之間的空間重疊，從而產(chǎn)生相干輻射。

(b)相較之下，在時變介質(zhì)中，可通過干涉實現(xiàn)對“相干吸收”（交叉?zhèn)鞑サ牟ǎ瑢?yīng)紅色區(qū)域）與“增益”（被放大的波，對應(yīng)綠色區(qū)域）之間的切換；該切換取決于相向傳播輸入光束的相位。

隨后，文章從理論層面分析時間周期調(diào)制介質(zhì)的物理機制，將其等效為光學(xué)時間晶體。圖中展示了時間調(diào)制在頻率—動量空間中打開動量能隙，并在其中同時產(chǎn)生增益模和損耗模。作者進一步指出，單向入射只能激發(fā)增益模，而通過兩束反向入射光形成駐波，可以選擇性激發(fā)損耗�；蛟鲆婺＃潢P(guān)鍵在于調(diào)制相位與電磁能量振蕩之間的相對關(guān)系。

圖 2.相干照明的時變介質(zhì)中的增益—損耗機制示意

(a)以角頻率Ω對介電常數(shù)進行周期性調(diào)制，會在頻率滿足ω≈Ω/2 的入射光色散關(guān)系中打開一個動量帶隙，從而形成一個損耗模（紅色，I[ω]> 0）和一個增益模（綠色，I[ω]< 0）。然而，在單一入射波激發(fā)的情況下，僅有增益模被激發(fā)，并產(chǎn)生大小相等的附加前向與后向通量。

(b)上：相反地，當(dāng)用兩束相向傳播的光束照明該介質(zhì)時，通過使前向與后向的動量通量相互補償，可以同時選擇性地激發(fā)增益模與損耗模。(b)下：其原因在于，兩束光形成的駐波會導(dǎo)致體系總能量在電場與磁場之間發(fā)生振蕩。由于介電常數(shù)的增大（減�。⿻箖Υ嬖陔妶鲋械牟▌幽芰繙p少（增加），兩束波之間的相對相位φ以及由此導(dǎo)致的“介電常數(shù)調(diào)制”與電能量密度 We的峰/谷之間的相位鎖定，將決定其共振增強或抑制；這分別對應(yīng)于增益模或損耗模的激發(fā)。

在實驗部分，作者設(shè)計了一種基于亞波長 ITO 薄膜的時間調(diào)制器件，并利用飛秒泵浦脈沖在光學(xué)頻率下實現(xiàn)周期性介電常數(shù)調(diào)制。圖中給出了實驗裝置、動量耦合示意以及測得的輸出強度隨兩束探測光相位變化的結(jié)果，清楚地展示了在相同器件和泵浦條件下，實現(xiàn)了從顯著吸收到強放大的連續(xù)可調(diào)切換。

圖3.實驗方案、增益—損耗調(diào)控測量及其與理論的對比

(a)實驗裝置、時間調(diào)制及照明方案示意圖：一塊亞波長厚度的 ITO 薄片由正入射的泵浦光（橙色）進行周期性調(diào)制。兩束探測光從法線兩側(cè)、以θ= ±8°的入射角照射到被調(diào)制的ITO上，其中較弱的一束為信號光（紅色），較強的一束為輔助光（ancilla，藍色）。此處我們關(guān)注在探測器 Det.1處測得的總強度。

(b)泵浦光在時間上誘導(dǎo)出周期性的介電常數(shù)調(diào)制，通過垂直的光子躍遷（vertical photonic transitions）將輸入波（藍點）耦合至 PC 波（即負頻率分量，粉色）。在本實驗中，調(diào)制深度約為 2α≈1.65%。

(c)在最優(yōu)的輔助光—信號光入射強度比下（此時PC輔助光強度與反射信號光強度相當(dāng)），通過調(diào)節(jié)兩束探測光之間的相對相位，可測得約 400% 的凈信號放大以及約 80% 的吸收（紅色圓點實線），兩者均與線性散射模型的理論預(yù)測（綠色曲線）高度一致。

(d)在開啟泵浦但無輔助光入射的條件下，以反射信號光強度為歸一化基準(zhǔn)，給出了探測器 Det.1處強度隨相位及輔助光—信號光強度比變化的結(jié)果，分別展示了實驗測量（左）與理論計算（右）得到的相干放大與吸收，并據(jù)此確定最優(yōu)的輔助光—信號光強度比。

(e)平均干涉可見度通過對每一次掃描中的五個振蕩周期取平均得到。誤差棒表示在不同輔助光—信號光強度比下，各振蕩周期可見度的標(biāo)準(zhǔn)差�？梢姸仍谧顑�(yōu)條件下達到約90%，且與模型預(yù)測符合良好。

進一步的實驗結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)輔助光與信號光的強度比和相位，不僅可以抑制或放大某一束光，而且在時間調(diào)制體系中，所有輸出通道的強度變化遵循動量守恒而非能量守恒。對應(yīng)圖像系統(tǒng)比較了時間調(diào)制器件與傳統(tǒng)空間分束器的差異，突出了時間域相干操控在整體能量調(diào)制方面的獨特優(yōu)勢。

圖 4.空間與時間相干控制的差異：能量守恒與動量守恒

(a)傳統(tǒng)分束器在輸出端口之間重新分配來自多束入射波的固定功率，總功率保持不變。

(b)相比之下，時變介質(zhì)能夠?qū)⑷肷洳ㄏ喔莎B加，使所有入射分量同時被等幅度地抑制或增強；其約束遵循的是動量守恒，而非能量守恒。

(c)因此，在信號光與輔助光功率相差懸殊的情況下（左圖），對于給定的泵浦功率，總能找到某一信號—輔助光強度比，使信號在輸出端被抵消或放大（中圖紅色縱軸），同時輔助光也出現(xiàn)完全相同的強度調(diào)制（藍色縱軸），這與面內(nèi)動量守恒的預(yù)期一致。需要注意的是，由于反射輔助光（Det.2）的功率約為反射信號光（Det.1）的20倍，其相對調(diào)制幅度顯著更小。右圖：這將導(dǎo)致總輸出功率的相對調(diào)制很弱�？傒敵龉β释ㄟ^對兩個輸出通道的強度求和得到（陰影曲線），其量級與實驗測量不確定度（陰影區(qū)域）相當(dāng)；該不確定度由四束出射波（反射與 PC 的信號光/輔助光）各自不確定度之和的標(biāo)準(zhǔn)差估算，且在計算中不考慮干涉項。

(d)提高泵浦功率（左）可使實驗在相近的輸入信號光與輔助光強度下運行，從而使兩路輸出（信號與輔助）在幅度與基線水平上均趨于一致（中），并在總輸出探測光強度上產(chǎn)生顯著的調(diào)制（右）。

最后，文章系統(tǒng)研究了泵浦強度對放大、吸收效率及干涉可見度的影響。圖中展示了隨泵浦增強出現(xiàn)的效率變化、可見度下降及再恢復(fù)現(xiàn)象，并通過光譜演化揭示了ITO 中快、慢非線性調(diào)制過程的競爭作用。這一結(jié)果不僅驗證了理論模型的適用范圍，也為未來在更強調(diào)制條件下實現(xiàn)寬帶時間域 CPA 與放大提供了方向。

圖 5.增益與損耗對泵浦強度的依賴關(guān)系、條紋可見度以及輸出波譜

(a)實驗測得（虛線加圓點）與理論預(yù)測（實線）的相位共軛效率（左軸，藍色）以及由泵浦引起的反射率調(diào)制（右軸，紅色）隨泵浦強度（對數(shù)坐標(biāo)）的變化關(guān)系。在較弱泵浦條件下，兩者符合良好；而當(dāng)泵浦強度超過約 20GWcm?2 時，相位共軛效率的實驗結(jié)果與理論開始出現(xiàn)明顯偏離；當(dāng)泵浦強度高于約50GWcm?2 時，反射調(diào)制的偏離亦變得顯著。

(b)當(dāng)泵浦強度約為30GWcm?2 時，干涉條紋的可見度顯著下降；而在泵浦強度進一步提高、超過100GWcm?2后，可見度再次上升。

(c)這一行為可由反射信號光（上方光譜圖）與相位共軛輔助光（下方光譜圖）所經(jīng)歷的紅移來解釋：在較低泵浦強度下，反射信號光的紅移程度明顯大于相位軛輔助光，從而削弱了實現(xiàn)高可見度干涉所需的相干性。隨著泵浦強度繼續(xù)大，相位共軛輔助光也發(fā)生紅移，部分相干性得以恢復(fù)。平均可見度通過對每次掃描中的五個振蕩周期取平均獲得，誤差棒表示這些振蕩周期可見度的標(biāo)準(zhǔn)差。

最后，文章系統(tǒng)研究了泵浦強度對放大、吸收效率及干涉可見度的影響。圖中展示了隨泵浦增強出現(xiàn)的效率變化、可見度下降及再恢復(fù)現(xiàn)象，并通過光譜演化揭示了ITO中快、慢非線性調(diào)制過程的競爭作用。這一結(jié)果不僅驗證了理論模型的適用范圍，也為未來在更強調(diào)制條件下實現(xiàn)寬帶時間域 CPA與放大提供了方向。

結(jié)論與展望

本文圍繞時間調(diào)制介質(zhì)中光的相干操控問題，系統(tǒng)研究了在無本征增益或損耗條件下實現(xiàn)吸收與放大可切換的新機制。作者突破傳統(tǒng)相干完全吸收依賴空間共振與材料損耗的思路，引入時間周期調(diào)制作為新的自由度，提出并驗證了“時間域相干完全吸收”的概念。理論上，將周期調(diào)制介質(zhì)視為光學(xué)時間晶體，指出其動量能隙中同時存在增益模與損耗模，而通過兩束反向傳播探測光的相干干涉，可選擇性激發(fā)不同模態(tài)，從而實現(xiàn)吸收或放大。實驗上，利用亞波長ITO薄膜在光學(xué)頻率下實現(xiàn)快速介電調(diào)制，成功演示了在同一器件中通過相位和強度調(diào)控實現(xiàn)高對比度的吸收與放大切換。進一步研究揭示了輸出行為受動量守恒支配的本質(zhì)特征，以及泵浦強度下快慢非線性過程對相干可見度的影響。該工作為時間調(diào)制光學(xué)體系中增益與損耗的相干調(diào)控提供了統(tǒng)一框架，也為光學(xué)信號處理和時變光子器件的發(fā)展開辟了新方向。