Антилазер с вырожденным резонатором оказался отличным поглотителем

Физики скомбинировали идею когерентного идеального поглотителя (антилазера) с концепцией вырожденного резонатора. Построенная оптическая система эффективно поглощает свет, падающий на нее под различными углами, а ее работа оказалась устойчивой к типичным помехам оптических линий связи. Исследование опубликовано в Science.

Поглощение — важная часть любой технологии, использующей свет. Для эффективной работы фотосинтеза, солнечных панелей и детекторов поглощение должно быть максимальным, чего, однако, сложно добиться из-за особенностей электромагнитного взаимодействия, а именно малости константы связи между светом и веществом.

Физики пытаются преодолеть эту трудность различными способами. Один из них — структурирование самого материала с целью увеличения его коэффициента поглощения. К успешным примерам такого подхода можно отнести рекордно черные материалы на основе золота или нанотрубок.

Коэффициент поглощения определяет долю захваченного света на единицу толщины материала. Другими словами, для достаточно тонких материалов даже большие коэффициенты поглощения оказываются неэффективны. В этом случае ученые с помощью зеркал пытаются возвращать прошедший через объект свет, чтобы он снова и снова пытался поглотиться. С одной стороны, зеркала должны быть максимально непроницаемы, чтобы эта схема сработала. С другой стороны, непроницаемость не позволит загнать свет в полость.

Выходом из этой трудности стало использование резонаторов. При точном согласовании расстояния между зеркалами и длины волны света, выход из резонатора будет подавлен деструктивной интерференцией. Интерференционные способы усиления поглощения света называют когерентными идеальными поглотителями или антилазерами, из-за того, что принцип их работы можно описать как инвертированную во времени лазерную генерацию. Когерентное поглощение работает не только со светом, но и с другими типами волн, но оно жестко привязано к направлению падающего света и форме его волнового фронта.

Чтобы преодолеть эти ограничения физики из Австрии и Израиля под руководством Ори Каца (Ori Katz) из Еврейского университета в Иерусалиме изготовили антилазер с вырожденным резонатором. Построенная система эффективно поглощала излучение, падающее под различными углами, даже в условиях быстрых помех на пути света. Такая технология в будущем может помочь улучшить работу оптических детекторов и фотогальванических элементов, а также реализовать частотно чувствительное поглощение.

Вырожденными называют такие резонаторы, в которых попавший в них свет циркулирует по одному и тому же пути. В линейной конфигурации используются либо сферические зеркала, либо плоские зеркала в комбинации с собирающими линзами. Если зеркало расположено в фокальной плоскости линзы, то падающий параллельно оптической оси луч, будет также отражаться параллельно и по другую сторону от оси. Комбинация двух таких отражающих схем обеспечивает замкнутую циркуляцию для луча, зашедшего в резонатор под любым углом.

Примечательно, что оптический путь всех замкнутых траекторий в близости от оптической оси оказывается одинаков. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, ведь луч, отклоняющийся на больший угол, должен проходить большее расстояние. Однако чем дальше от оптической оси расположена точка входа луча в линзу, тем меньшую толщу материала он должен пройти, что компенсирует отставание. В конченом счете сферический волновой фронт, исходящий из точки в фокальной плоскости, превращается в плоский по другую сторону линзы и наоборот. Это свойство вырожденных резонаторов лежит в основе соответствующих лазеров с уникальными генерационными свойствами. Но применительно к задаче о поглощении независимость оптических путей от угла означает единые условия для интерференционного запирания света в резонаторе.

Для реализации этой идеи группа Каца сконструировала антилазер с вырожденным резонатором. Он состоял двух одинаковых собирающих линз, помещенных между полупрозрачным (70 процентов отражательной способности) и практически идеальным (99,9 процента) зеркалами, разделенными расстоянием, равным четырем фокусам линз. В роли поглотителя в эксперименте выступила тонкая пластинка из цветного стекла, пропускающая 85,2 процента света.

Для проверки работоспособности своей схемы физики облучали ее светом, пропущенным через пространственный модулятор света, и измеряли его количество, отраженное от входной точки. Модулятор разбивал луч на множество мод, немного отличающихся углом падения на полупрозрачное зеркало. После согласования расстояний между зеркалами с длиной волны света авторы смогли добиться пятипроцентного отражения от зеркала, что соответствует 94-процентному поглощению цветным стеклом. При увеличении же размера резонатора на четверть длины волны, отражаемость возвращалась к некогерентному случаю.

Чтобы испытать свой поглотитель в более реалистичных условиях, физики направляли на него свет, выходящий из многомодового волокна. Они дополнительно трясли волокно, а также обдували воздушное пространство между волокном и зеркалом с помощью тепловой пушки, чтобы создать конвективные помехи. Когерентное поглощение сохранялось даже тогда, когда времена флуктуаций были меньше, чем время жизни фотонов в резонаторе.

Антилазеры — это не единственный пример, когда физики инвертируют когерентный процесс излучения, чтобы заставить вещество поглощать необычным способом. Ранее мы рассказывали, как сверхпоглощение — антипод сверхизлучения — может помочь с созданием квантовых батарей.

Марат Хамадеев