前沿：Science | 大规模退化相干完美吸收体，适用于任意波前

论文导读

      无论是在如光合作用的自然过程还是光伏领域中，如果想有效地利用光，必须尽可能完全地吸收它。吸收一点光线很容易，然而吸收所有光线通常是很难做到。相干完美吸收（CPA），表明了如果与腔的性质精确匹配，则非常特定的空间模式的光可以被完美吸收。耶路撒冷希伯来大学与维也纳大学的科研人员将此概念扩展到多模相干完美吸收（MAD-CPA），利用自我成像腔设计，他们证明了复杂的空间模式可以几乎完美地吸收。该工作“Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts”发表在Science上。他们演示了如何通过时间反转简并腔激光器来克服CPA仅限于单一、形状合理的波前或模式的限制，他们研制的激光器基于一个独特的腔，可以自我成像任何入射光场。

研究背景

      非厄米光子学的一个关键见解是，诸如激光器之类的成熟概念可以反向操作以实现相干完美吸收体（CPA）。尽管在概念上很吸引人，但迄今此类CPA仅限于单一、形状合理的波前或模式。最简单的传统CPA被设计为通过在两个平面镜之间放置一个临界耦合吸收器来吸收正常入射的平面波输入。对于这样的输入，当满足CPA条件时，来自多个腔体往返行程的所有反射都会重叠并破坏性干扰。全反射率降至零，所有能量都被吸收。但是，对于以不同角度或以其他模式入射，来自多个往返行程的反射不再具有空间上相同的分布;它们的破坏性干扰不同步，无法实现完美的吸收。为了实现可以普遍吸收任何任意复杂空间模式的CPA，必须确保所有谐振腔反射重合并破坏性地干扰前腔镜的非共振反射。这种情况在退化（自成像）腔体设计中自然满足，这构成了退化腔激光器的基础，这些激光器因其独特的激光特性而被广泛研究。对于腔体光学器件支持的任何模式，无论是任何角度的平面波，还是具有复杂波前甚至空间不相干场的高度复杂场，都保持自成像。

技术突破

      本文研究人员证明了如何通过基于独特的腔体来自我形成任何入射光场的独特空腔来克服完美吸收器（CPA）中完美吸收模式的限制，理论上可以吸收100%入射到器件上的光。他们设计了一个可以通过使用“退化”光腔来捕获所有模式的光的系统。这个简单的设计在外面用了两个镜子，在里面用了两个透镜。光线被困在镜子之间，而镜片的增加有助于引导光线在每次反射后总是击中镜子上的同一点，使系统退化。因此，任何被困在两个镜子和两个透镜之间的光都会在腔内循环，并在每次反射时被吸收。总之，他们将一个弱临界耦合的吸收体放置在该腔中，任何入射波前（即使是一个复杂的、动态变化的散斑图案）在大规模平行干涉过程中都以接近完美的效率被吸收。

观点评述

      本工作证实了MAD-CPA的吸收动态、快速变化的复杂随机光场的能力，这些光场是通过柔性多模光纤(MMF)和动态大气像差的传输自然产生的。在所有情况下，无论输入复杂性或时间动态如何，在CPA条件下都可以实现类似的近乎完美的吸收值。这些特性为光收集、能量传递、光控制和成像的应用开辟了新的可能性。即使是空气湍流和温度波动也不会损害这种机制，正如在耶路撒冷希伯来大学进行的实验所显示的那样。这证明了它是一种强大的效果，有望实现广泛的应用，例如所提出的机制甚至可能非常适合完美地捕获在通过地球大气层传输过程中失真的光信号。新方法对于将来自弱光源（如遥远恒星）的光波最佳地馈送到探测器中也具有很大的实际用途。