雷射系列四:反雷射

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圖一 (Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 467: 37–39. © 2010.)

■雷射由於其特殊設計可發出具同調性的光,相對應的,能不能有一個裝置只吸收具同調性的光呢?

撰文|方程毅

我們在雷射系列一到三談到了雷射光與一般光源的不同,最大的差異便是雷射光具同調性(coherence)。反雷射,又稱為相干完美吸收器(coherent perfect absorber, CPA),是一個只吸收同調光的裝置,由美國耶魯大學(Yale University) Douglas Stone教授在2010年提出理論假設,並於2011年利用實驗證實並發表在《科學》(Science)期刊。2011年國內泛科學也有針對該研究進行報導,但並沒有解釋其機制。我們將用雷射系列一到三奠基的基本觀念來解釋其工作原理。

反雷射的運作原理如圖一:左右各打進一道光(Light in),中間是一共振腔(Resonator mirror) 且其材料具有吸收能力(Absorbing material)。當這兩道光都具同調性,且相位(phase)正確時,兩道光會在共振腔內形成干涉,並將能量通通轉化成熱能。

有點難懂,對吧?

回頭先來看看雷射三要素:激發來源、增益物質、共振腔。

●雷射的目的是放大,因此需要外界的激發來源提供能量;但反雷射旨在消滅雷射,所以不需要激發來源。

●增益物質在雷射中可以將光子數量放大,而在反雷射中必須有吸收物質把光子數量減少。但是!但是!但是!這個材料的吸收能力又不能太強,因為如果材料本身吸收能力太強,會把同調性及非同調性的光通通吸掉,就無法只吸同調性的光,放走不具同調性的光了。

●因此共振腔便是關鍵!只有具同調性且波長符合共振腔所需的光才會形成共振。當共振腔的材料具吸收能力,但吸收能力又不強時,被共振腔選擇的光波就會被困在裡面,讓吸收材料凌遲,把光能吸光。至於其他無法形成共振的光,可以順利通過(雖然會損失一點點點)。

Douglas Stone教授發表於《科學》的研究使用的吸收物質及共振腔皆為矽晶圓,共振腔寬度相當於矽晶圓的厚度。使用的光波長約在1000nm左右,這個波段矽具有微弱的吸收,一道光打上去大部分的光子都可以穿透(就像穿過玻璃一樣),符合反雷射所需特性。

圖二
圖二

當矽晶圓的兩邊各打一道光進來(圖二(a),紅色箭頭,兩道光波長相同),直覺上會看到兩道光皆穿透(淺桃紅色箭頭),若是其中一道光不具同調性,便是這個結果。但若是兩道光皆具同調性,且兩者相位剛剛好在共振腔內形成干涉並共振,這兩道光射入矽晶圓薄片後便都會消失不見,如圖二(b)。

使用兩道光的目的是可以進行轉換(switch)及調變(modulate),就算兩道光都是雷射光且波長相同,面對面射入矽晶圓也不見得會被吸收,兩者相位差必須符合特定條件才行。也因此只要調整兩者的相位差,當符合條件時兩道光都會被消滅;當相位差偏移理想值時光不會被吸收殆盡,這樣的裝置可以做為「光學開關」。

整套過程跟產生雷射的方法非常相似,需要一個共振腔選取波長並儲存能量、一個與增益材料相對的吸收材料,把儲存在共振腔內的光能一點一滴榨乾;吸收材料的吸收能力不能太強,才能讓非同調性的光以及不屬於共振腔共振波長的同調光一併通過,形成一個只會對特定波長且必須具同調性光具有強烈吸收的「反雷射」。

至於這個東西有什麼用呢?日前加州柏克萊大學將這個概念應用於光學晶片,作為通訊光源、放大器及調變器等等元件之用,發表在 Nature Photonics 期刊上,因此反雷射也有可能會是未來光學通訊重要元件。

 

參考資料:

  1. Wan, Wenjie, Yidong Chong, Li Ge, Heeso Noh, A. Douglas Stone, and Hui Cao. "Time-reversed lasing and interferometric control of absorption."Science 331, no. 6019 (2011): 889-892.
  2. Chong, Y. D., Li Ge, Hui Cao, and A. Douglas Stone. "Coherent perfect absorbers: time-reversed lasers."Physical review letters 105, no. 5 (2010): 053901.
  3. Gmachl, Claire F. "Laser science: suckers for light."Nature 467, no. 7311 (2010): 37-39.
  4. Wong, Zi Jing, Ye-Long Xu, Jeongmin Kim, Kevin O'Brien, Yuan Wang, Liang Feng, and Xiang Zhang. "Lasing and anti-lasing in a single cavity."Nature Photonics 10, no. 12 (2016): 796-801.
  5. 物理學家研發出反雷射裝置”, 《泛科學》

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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