调谐光学谐振器给研究人员控制透明度

在量子领域,在某些情况下,通过正确的干涉模式,光可以通过不透明的介质。

光的这种特性不仅仅是一个数学把戏;光量子存储器、光存储和其他依赖于每次只有几个光子的相互作用的系统依赖于这个过程,这个过程被称为电磁诱导透明,也被称为EIT。 

由于EIT在现有和新兴的量子和光学技术中的有用性,研究人员对在不引入外部影响的情况下操作EIT的能力很感兴趣,比如额外的光子会扰乱已经脆弱的系统。现在,位于圣路易斯的华盛顿大学麦凯维工程学院的研究人员已经设计出了一种完全独立的光学谐振器系统,可以用来打开和关闭透明装置,从而实现一种控制措施,这种控制措施的应用范围很广。

该小组公布了在杨澜实验室进行的研究结果弗洛伦斯·g·斯金纳,普雷斯顿·m·格林电气工程系教授。在1月13日出版的《自然物理》杂志上发表了一篇题为《电磁致透明手性异常点》的论文。

光学谐振器系统类似于电子谐振电路,但使用的是光子而不是电子。谐振器有不同的形状,但它们都涉及到反射材料,当光在其表面之间或周围来回反射时,反射材料会在一段时间内捕获光。从激光到高精度测量设备,这些元件随处可见。

在他们的研究中,杨的团队使用了一种被称为耳语通道模式谐振器(WGMR)的谐振器。它的运作方式类似于圣保罗大教堂(St. Paul ‘s Cathedral)的低语走廊,房间一边的人可以听到另一边的人在低语。然而,大教堂对声音的处理方式是,wgmr对光线的处理方式是,光线在弯曲的圆周上反射和反射。

在理想的系统中,光纤线与谐振器(由二氧化硅制成的环形)在切线处相交。当这条线上的光子遇到谐振器时,它会俯冲下来,沿环形反射和传播,以最初的方向进入光纤。

然而,现实很少如此简单。

“制造高质量的谐振器并不完美,”杨说。“总会有一些缺陷,或灰尘,会把光散射。“实际发生的是一些散射光改变了方向,离开了谐振器,回到了它原来的方向。散射效应使光分散,而光不离开系统。

想象系统周围有一个盒子:如果光从左边进入盒子,然后从右边出去,盒子就会变得透明。但是,如果进入的光是散射的,没有使它出来,盒子就会看起来不透明。

因为谐振器的制造缺陷是不一致和不可预测的,透明度也是如此。进入这类系统的光会散射并最终失去其强度;它被吸收到谐振器中,使系统不透明。

该系统由共同第一作者、博士生王长青和杨实验室研究员蒋雪峰设计,其中有两个wgmr通过光纤线间接耦合。第一个谐振器的质量更高,只有一个缺陷。王在高质量的谐振器中加入了一种类似纳米颗粒的微小尖端材料。通过移动这个临时的粒子,王能够“调整”它,控制内部光线的散射方式。

重要的是,他还能把谐振器调到所谓的“例外点”,也就是只有一种状态存在的点。在这种情况下,状态是光在谐振腔中的方向:顺时针或逆时针。

在实验中,研究人员将光从左侧引导到一对间接耦合谐振器(见图)。光波进入第一个谐振器,谐振器被“调谐”以确保光顺时针传播。光在圆周上反弹,然后离开,沿着光纤继续到第二个,质量较低的谐振器。

在那里,光被谐振器的缺陷散射,其中一些开始沿圆周逆时针方向移动。光波随后返回到光纤,但又返回到第一个谐振器。

关键的是,研究人员不仅在第一个谐振器中使用纳米颗粒使光波顺时针移动,他们还调整了光波的方向,当光波在谐振器之间来回传播时,会形成一种特殊的干涉模式。这种模式的结果是,谐振器中的光被抵消了,也就是说,允许光沿着光纤传播到eek,使系统变得透明。

这就好像有人在砖墙上点亮了一盏灯——没有光可以通过。但接着另一个人用另一个手电筒照在了同一个地方,突然,墙上的那个地方变得透明了。

EIT更重要、也更有趣的功能之一是它创造“慢光”的能力。“光速总是恒定的,但光速的实际值可以根据它所通过的介质的性质而改变。在真空中,光总是以每秒3亿米的速度传播。

王说,有了EIT,人们把光的速度降低到每秒不到8米。“这可能会对光信息的存储产生重大影响。如果光慢下来,我们就有足够的时间将编码的信息用于光量子计算或光通信。“如果工程师能更好地控制EIT,他们就能更可靠地依赖慢光来进行这些应用。”

操纵电子信息技术也可以用于远程通信的发展。调谐谐振器可以沿同一光缆间接耦合到几公里外的另一个谐振器。杨说:“你可以改变光线的透射方向。”

这可能对量子加密等其他技术至关重要。

研究团队还包括耶鲁大学芝加哥大学南加州大学的合作者。


圣路易斯华盛顿大学(Washington University)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)提倡独立调查和教育,强调科学的卓越性、创新和无国界合作。麦凯维工程学院拥有一流的跨院系研究和研究生项目,尤其是在生物医学工程、环境工程和计算机领域,并且拥有全国最优秀的本科生项目之一。我们拥有140名全职教师、1387名本科生、1448名研究生和21000名在世校友,我们正在努力解决一些社会上最大的挑战;培养学生成为领导者,并在他们的职业生涯中不断创新;成为圣路易斯地区及其他地区经济发展的催化剂。
这项研究的经费由陆军研究办公室和国家科学基金会提供。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2020/01/tuning-optical-resonators-gives-researchers-control-over-transparency/

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