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雷射系列四：反雷射

图一　(Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 467: 37–39. © 2010.)

■雷射由于其特殊设计可发出具同调性的光，相对应的，能不能有一个装置只吸收具同调性的光呢？

我们在雷射系列一到三谈到了雷射光与一般光源的不同，最大的差异便是雷射光具同调性(coherence)。反雷射，又称为相干完美吸收器(coherent perfect absorber， CPA)，是一个只吸收同调光的装置，由美国耶鲁大学(Yale University) Douglas Stone教授在2010年提出理论假设，并于2011年利用实验证实并发表在《科学》(Science)期刊。2011年国内泛科学也有针对该研究进行报导，但并没有解释其机制。CASE 读报将用雷射系列一到三奠基的基本观念来解释其工作原理。

反雷射的运作原理如图一：左右各打进一道光(Light in)，中间是一共振腔(Resonator mirror) 且其材料具有吸收能力(Absorbing material)。当这两道光都具同调性，且相位(phase)正确时，两道光会在共振腔内形成干涉，并将能量通通转化成热能。

有点难懂，对吧？

回头先来看看雷射三要素：激发来源、增益物质、共振腔。

●雷射的目的是放大，因此需要外界的激发来源提供能量;但反雷射旨在消灭雷射，所以不需要激发来源。

●增益物质在雷射中可以将光子数量放大，而在反雷射中必须有吸收物质把光子数量减少。但是！但是！但是！这个材料的吸收能力又不能太强，因为如果材料本身吸收能力太强，会把同调性及非同调性的光通通吸掉，就无法只吸同调性的光，放走不具同调性的光了。

●因此共振腔便是关键！只有具同调性且波长符合共振腔所需的光才会形成共振。当共振腔的材料具吸收能力，但吸收能力又不强时，被共振腔选择的光波就会被困在里面，让吸收材料凌迟，把光能吸光。至于其他无法形成共振的光，可以顺利通过(虽然会损失一点点点)。

Douglas Stone教授发表于《科学》的研究使用的吸收物质及共振腔皆为硅晶圆，共振腔宽度相当于硅晶圆的厚度。使用的光波长约在1000nm左右，这个波段硅具有微弱的吸收，一道光打上去大部分的光子都可以穿透(就像穿过玻璃一样)，符合反雷射所需特性。

图二

当硅晶圆的两边各打一道光进来(图二(a)，红色箭头，两道光波长相同)，直觉上会看到两道光皆穿透(浅桃红色箭头)，若是其中一道光不具同调性，便是这个结果。但若是两道光皆具同调性，且两者相位刚刚好在共振腔内形成干涉并共振，这两道光射入硅晶圆薄片后便都会消失不见，如图二(b)。

使用两道光的目的是可以进行转换(switch)及调变(modulate)，就算两道光都是雷射光且波长相同，面对面射入硅晶圆也不见得会被吸收，两者相位差必须符合特定条件才行。也因此只要调整两者的相位差，当符合条件时两道光都会被消灭;当相位差偏移理想值时光不会被吸收殆尽，这样的装置可以做为“光学开关”。

整套过程跟产生雷射的方法非常相似，需要一个共振腔选取波长并储存能量、一个与增益材料相对的吸收材料，把储存在共振腔内的光能一点一滴榨干;吸收材料的吸收能力不能太强，才能让非同调性的光以及不属于共振腔共振波长的同调光一并通过，形成一个只会对特定波长且必须具同调性光具有强烈吸收的“反雷射”。

至于这个东西有什么用呢？日前加州柏克莱大学将这个概念应用于光学芯片，作为通讯光源、放大器及调变器等等元件之用，发表在 Nature Photonics 期刊上，因此反雷射也有可能会是未来光学通讯重要元件。

参考资料：

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.

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.

Gmachl， Claire F. "Laser science: suckers for light."Nature 467， no. 7311 (2010): 37-39.

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.

“物理学家研发出反雷射装置”， 《泛科学》