L’ingénierie de diverses sources de perte offre de nouvelles fonctionnalités pour une parfaite absorption de la lumière

Les structures physiques naturelles et artificielles perdent toutes de l’énergie, et les scientifiques travaillent dur pour éliminer cette perte ou la compenser. Les dispositifs optiques et photoniques perdent de l’énergie par diffusion de la lumière, rayonnement ou absorption matérielle. Dans certaines situations, cependant, la conception intentionnelle mais prudente de la perte dans les dispositifs et systèmes optiques ouverts peut conduire à des phénomènes physiques non conventionnels qui inspirent de nouvelles méthodes de contrôle et d’ingénierie optiques.

Lan Yang, professeur Edwin H. & Florence G. Skinner en génie électrique et systèmes à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis, et une équipe qui comprend A. Douglas Stone, professeur Carl A. Morse en sciences appliquées La physique et la physique à l’Université de Yale et son laboratoire ont découvert de nouvelles approches pour manipuler l’absorption de la lumière dans les résonateurs optiques par différents types de pertes optiques. Ils ont obtenu une dégénérescence de deux modes d’absorption parfaits cohérents, ce qui conduit à un spectre d’absorption élargi de manière non conventionnelle et à la capacité de basculer entre une absorption faible et forte sur une large bande de fréquences. Le travail a été publié le 9 septembre 2021, dans Science.

L’équipe de Yang utilise une plate-forme expérimentale connue sous le nom de microrésonateurs en mode galerie de chuchotement (WGM), du nom de la célèbre galerie de chuchotement de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où une personne d’un côté de la galerie peut entendre le murmure d’une autre personne à l’autre extrémité de la galerie. Le dispositif optique WGM agit de la même manière, mais avec des fréquences lumineuses plutôt que sonores. Ces structures supportent les résonances, c’est-à-dire que seule la lumière avec une certaine fréquence peut rester longtemps dans un tel système. En raison de la perte d’absorption du matériau, la lumière peut être absorbée par le résonateur. En outre, un guide d’ondes à fibre est généralement placé tangentiel au bord du résonateur pour coupler la lumière dans ou hors du résonateur. Le couplage entre le résonateur et la fibre crée un canal supplémentaire de perte de couplage non dissipatif, qui permet à la lumière piégée à l’intérieur du résonateur de s’échapper de la fibre.

Les chercheurs ont créé deux microrésonateurs WGM avec des pertes d’absorption différentes et couplé leurs champs optiques en les rapprochant. Chaque résonateur est couplé à un guide d’ondes à fibre. En modifiant l’écart entre les résonateurs et les guides d’ondes, ils ont pu régler la perte de couplage.

Dans leur expérience, les chercheurs ont obtenu une absorption parfaite de la lumière entrante des canaux du guide d’ondes, une situation appelée absorption parfaite cohérente (CPA), en optimisant le rapport entre les deux pertes de couplage et les deux pertes d’absorption. Le CPA est l’inverse du temps du processus laser – au lieu d’émettre la lumière, le système absorbe entièrement la lumière illuminée sans aucune émission ni diffusion.

“En général, un système optique avec perte est capable d’absorber la lumière entrante, mais une absorption parfaite ne peut se produire que si les paramètres de perte, tels que le rapport entre les pertes d’absorption et de couplage, sont judicieusement conçus et contrôlés”, a déclaré Yang. “De plus, pour qu’une absorption parfaite se produise, les faisceaux laser entrants doivent osciller à une fréquence exacte et être injectés à partir de deux canaux de guide d’ondes avec un rapport d’amplitudes et de phases bien conçu.”

Dans un système avec deux résonateurs optiques, il existe deux types de formes d’onde qui peuvent être entièrement absorbées, et elles se produisent à deux fréquences différentes. Par conséquent, le système se comporte généralement comme deux absorbeurs parfaits. Mais avec une optimisation du couplage entre les résonateurs accordés par leur écart, ces deux fréquences et formes d’onde fusionnent, créant quelque chose de non conventionnel. En réglant le système à ce point, les chercheurs ont pour la première fois observé une forme de raie du spectre de sortie qui est plus large que la forme de raie lorentzienne conventionnelle.

“Lorsque les deux modes CPA fusionnent, le système atteint un type particulier de dégénérescence que l’on appelle un point exceptionnel parfaitement absorbant”, a déclaré Changqing Wang, doctorant au laboratoire de Yang et premier auteur de l’article. “C’est fondamentalement différent des autres types conventionnels de dégénérescences qui ont été trouvés dans les systèmes à ondes ouvertes. Il semble que vous ayez deux absorbeurs qui fonctionnent à la même fréquence et absorbent parfaitement le même type de faisceau. Mais le système se comporte très différemment d’un seul absorbeur, ni simplement la somme de deux absorbeurs.”

Avec les modes d’absorption parfaite dégénérés, en modifiant légèrement le retard relatif des deux faisceaux laser qui pénètrent dans les deux guides d’ondes, l’absorption du système peut varier considérablement de forte à faible. Par rapport à l’absorbeur classique, cette modulation se produit à une gamme de fréquence plus large en raison de l’effet de dégénérescence non négligeable au point exceptionnel parfaitement absorbant. Ce phénomène ne se produit pas pour un système sans perte, ou des systèmes qui ont un équilibre de gain et de perte.

“Ce travail apporte de nouvelles perspectives sur la façon d’exploiter différents types de pertes pour manipuler un système physique ouvert”, a déclaré Yang. “Dans le passé, la perte a permis un grand nombre de phénomènes physiques intéressants dans les systèmes optiques, acoustiques et électroniques non hermitiens, mais il existe un grand potentiel pour tirer parti des différents rôles des différentes sources de perte. Par exemple, ici dans ce travail, le matériau la perte d’absorption joue un rôle distinct de la perte de couplage non dissipatif dans l’adaptation de la propriété de diffusion du système. Les différents types de pertes enrichissent les degrés de liberté pour l’ingénierie optique.

Cette découverte de l’absorption parfaite dégénérée non triviale de la lumière apporte un aperçu de diverses applications dans les domaines de la photonique, de l’acoustique, de l’électronique et des systèmes quantiques, a déclaré Yang. Les points exceptionnels parfaitement absorbants peuvent être exploités pour concevoir des capteurs optiques à ultra haute sensibilité pour la détection de nanoparticules, la mesure de la vitesse de rotation et l’imagerie bio-tissulaire.

“La pure nécessité de la perte sans besoin de gain rend la conception plus simple, plus accessible et plus stable, car l’ajout de gain aux appareils est toujours beaucoup plus lourd et apporte un bruit supplémentaire qui détériore les performances du système”, a déclaré Yang mentionné. “La perte est omniprésente dans la nature, et en la comprenant mieux, nous la rendons plus utile.”