近日，南京航空航天大学胡昊课题组，苏州大学高东梁课题组联合苏州城市学院高雷课题组将相干波调控的概念引入时空超材料，以打破传统相干波调控的限制，促使不同频率和波矢的信号都可以进行相干波调控。相关工作以“Generalized Coherent Wave Control at Dynamic Interfaces”为题发表于期刊《Laser & Photonics Reviews》上。苏州大学物理科学与技术学院研究生余尤秀为论文第一作者。通讯作者为南京航空航天大学胡昊研究员和苏州大学高东梁教授，及苏州城市学院副校长高雷教授。
为了解决传统相干波调控和时间相干波调控的频率限制，研究团队利用时空超材料的特殊性质提出了广义相干波调控技术。动态界面上的广义相干波调控如图1所示。与动态界面相互作用前，两个入射波的频率和波矢都不同。通过调控时空动态界面的速度，前向入射波的透射（反射）频率和后向入射波的反射（透射）频率变成一致，干涉现象出现。对入射波的相对振幅和相对相位的调控，我们可以灵活的实现前向散射波的干涉相消或后向散射波的干涉相消。相比现有技术，如时间布鲁斯特效应以及课题组前一个工作——时空四分之一波阻抗转换器 (Laser & Photonics Reviews, 17(9), 2300130 (2023))，广义相干波调控不仅更易实现无透射和无反射的相互转换，而且不再要求入射波频率必须一致，这使得对散射波的操纵更加简便。值得一提的是，广义相干波调控还可以使用低频信号产生高频脉冲。
图1. 动态界面上广义相干波调控的示意图。（a, c）（（b, d））入射波与亚光速界面（超光速界面）相互作用前后，两个反向传输波的分布。（e, f）亚光速情况和超光速情况下，动量-能量体系下的模式跃迁示意图。
为了更直观的体现广义相干波的调控效果，文章运用时域有限差分法（FDTD）对提出的广义相干波调控进行了模拟验证。利用广义相干波调控消除前向散射波的时空场分布如图2所示。不论是亚光速情况还是超光速情况，具有不同频率的两个反向传输波经过时空动态界面的调控，各侧散射波的频率被调制成相同大小，且在合适的相对振幅下，前向散射波被很明显地抑制。这也证明了时空边界上的广义相干波调控打破了传统相干波调控对频率的限制。在其它参数一致的情况下，只需要调节入射波的相对振幅，无透射便可转变为无反射。
图2 时域有限差分法（FDTD）下广义相干波调控的干涉相消。（a，b）亚光速情况和超光速情况下的时空场图分布。（c，e）（（d，f））两个反向传输波与超光速界面相互作用前后的场图分布。
除了利用广义相干波调控实现时空无透射或无反射，还可以利用广义相干波调控进行波形剪切。值得一提的是，广义相干波调控为产生具有高频率特征的超快脉冲提供了一种新方法。如图3所示，前向传输的连续入射波与后向传输的闲置低频脉冲在时空界面的调控下，传输波可被调制为一个高频脉冲。通过调节闲置脉冲之间的相邻间隔，我们可以获得具有不同间隔的高频脉冲。这一技术将促进超快科学的研究以及在原子分子水平上操纵物质。
图3. 广义相干波调控产生高频脉冲。（a，c）（（b，d））亚光速（超光速）情况下，广义相干波调控前后的场分布。
快速调制的可重构微带传输线可以模拟介质折射率的突变。为了证明广义相干波调控的可行性，文章使用快速光电二极管开关控制的微带传输线模拟时空体系，用于演示高斯脉冲在时空动态边界上的散射。前向入射波和后向入射波分别从端口1和端口2接入。在微带传输线中利用广义相干波调控实现无透射的仿真结果如图4（c）所示，经过广义相干波调控后，前向传输波可以被忽略。很显然，在微波频率上，文章提出的广义相干波调控完全可以抑制时空界面出现的透射波。
该工作表明，即使入射波的频率和波矢不同，广义相干波调控依旧可以对波进行调控。广义相干波调控不仅可以实现时空无透射和无反射的灵活转换、利用不同频率的入射波进行波形剪切，还可以利用时空超材料中的频率转换的特性，使用低频信号产生高频脉冲。文章还给出了时空微带传输线的详细仿真设计，这为后续实验上实现动态界面上的广义相干波调控打下了夯实的基础。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400399
