Nature Photonics：時間調制介質中的相干完美吸收與放大

論文信息：

E. Galiffi, A. Harwood, S. Vezzoli, R. Tirole, A. Alu, R. Sapienza, Optical coherent perfect absorption and amplification in a time-varying medium, (2026).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01833-8

研究背景

傳統光學中的相干完全吸收依賴材料本征損耗和空間共振結構，通常表現為窄帶響應且工作狀態固定，難以在同一器件中靈活切換吸收與放大功能。相比之下，時間調制介質在外部泵浦驅動下突破了能量守恒約束，即使不引入內稟增益或損耗，也能通過參數過程實現對光的放大或衰減，被視為突破靜態光學限制的重要方向。然而，在時間周期調制體系中，盡管增益模與損耗模同時存在，既有研究多集中于單向入射情形，實際只能激發增益模，且在光學頻段實現相干操控仍面臨實驗與物理機制上的挑戰。基于這一背景，該工作將空間相干完全吸收的干涉選模思想引入時間域，探索在光學頻率下通過相干照明實現時間調制介質中增益與損耗的可切換控制，從而為時間域相干完全吸收與放大的統一實現奠定基礎。

研究內容

文章首先提出時間域相干操控的核心思想，對比空間相干完全吸收與時間調制介質中的新機制。通過示意圖說明，傳統空間 CPA 依賴材料損耗與空間干涉，而在時間調制介質中，通過兩束反向傳播探測光的相干照明，可以在同一結構中實現吸收與放大的切換，其本質不再由材料本征損耗或增益決定，而由時間調制與相位干涉共同控制。

圖1.相干照明時變介質以實現增益與損耗的概念

（a)上：空間相干完美吸收（CPA）依賴于以多個入射光束照明一個有損諧振腔，并要求這些光束之間滿足特定的振幅與相位關系;（a）下：其時間反演過程——激光——通過恰當設計某一模態與增益介質之間的空間重疊，從而產生相干輻射。

(b)相較之下，在時變介質中，可通過干涉實現對“相干吸收”（交叉傳播的波，對應紅色區域）與“增益”（被放大的波，對應綠色區域）之間的切換；該切換取決于相向傳播輸入光束的相位。

隨后，文章從理論層面分析時間周期調制介質的物理機制，將其等效為光學時間晶體。圖中展示了時間調制在頻率—動量空間中打開動量能隙，并在其中同時產生增益模和損耗模。作者進一步指出，單向入射只能激發增益模，而通過兩束反向入射光形成駐波，可以選擇性激發損耗模或增益模，其關鍵在于調制相位與電磁能量振蕩之間的相對關系。

圖 2.相干照明的時變介質中的增益—損耗機制示意

(a)以角頻率Ω對介電常數進行周期性調制，會在頻率滿足ω≈Ω/2 的入射光色散關系中打開一個動量帶隙，從而形成一個損耗模（紅色，I[ω]> 0）和一個增益模（綠色，I[ω]< 0）。然而，在單一入射波激發的情況下，僅有增益模被激發，并產生大小相等的附加前向與后向通量。

(b)上：相反地，當用兩束相向傳播的光束照明該介質時，通過使前向與后向的動量通量相互補償，可以同時選擇性地激發增益模與損耗模。(b)下：其原因在于，兩束光形成的駐波會導致體系總能量在電場與磁場之間發生振蕩。由于介電常數的增大（減小）會使儲存在電場中的波動能量減少（增加），兩束波之間的相對相位φ以及由此導致的“介電常數調制”與電能量密度 We的峰/谷之間的相位鎖定，將決定其共振增強或抑制；這分別對應于增益模或損耗模的激發。

在實驗部分，作者設計了一種基于亞波長 ITO 薄膜的時間調制器件，并利用飛秒泵浦脈沖在光學頻率下實現周期性介電常數調制。圖中給出了實驗裝置、動量耦合示意以及測得的輸出強度隨兩束探測光相位變化的結果，清楚地展示了在相同器件和泵浦條件下，實現了從顯著吸收到強放大的連續可調切換。

圖3.實驗方案、增益—損耗調控測量及其與理論的對比

(a)實驗裝置、時間調制及照明方案示意圖：一塊亞波長厚度的 ITO 薄片由正入射的泵浦光（橙色）進行周期性調制。兩束探測光從法線兩側、以θ= ±8°的入射角照射到被調制的ITO上，其中較弱的一束為信號光（紅色），較強的一束為輔助光（ancilla，藍色）。此處我們關注在探測器 Det.1處測得的總強度。

(b)泵浦光在時間上誘導出周期性的介電常數調制，通過垂直的光子躍遷（vertical photonic transitions）將輸入波（藍點）耦合至 PC 波（即負頻率分量，粉色）。在本實驗中，調制深度約為 2α≈1.65%。

(c)在最優的輔助光—信號光入射強度比下（此時PC輔助光強度與反射信號光強度相當），通過調節兩束探測光之間的相對相位，可測得約 400% 的凈信號放大以及約 80% 的吸收（紅色圓點實線），兩者均與線性散射模型的理論預測（綠色曲線）高度一致。

(d)在開啟泵浦但無輔助光入射的條件下，以反射信號光強度為歸一化基準，給出了探測器 Det.1處強度隨相位及輔助光—信號光強度比變化的結果，分別展示了實驗測量（左）與理論計算（右）得到的相干放大與吸收，并據此確定最優的輔助光—信號光強度比。

(e)平均干涉可見度通過對每一次掃描中的五個振蕩周期取平均得到。誤差棒表示在不同輔助光—信號光強度比下，各振蕩周期可見度的標準差。可見度在最優條件下達到約90%，且與模型預測符合良好。

進一步的實驗結果表明，通過調節輔助光與信號光的強度比和相位，不僅可以抑制或放大某一束光，而且在時間調制體系中，所有輸出通道的強度變化遵循動量守恒而非能量守恒。對應圖像系統比較了時間調制器件與傳統空間分束器的差異，突出了時間域相干操控在整體能量調制方面的獨特優勢。

圖 4.空間與時間相干控制的差異：能量守恒與動量守恒

(a)傳統分束器在輸出端口之間重新分配來自多束入射波的固定功率，總功率保持不變。

(b)相比之下，時變介質能夠將入射波相干疊加，使所有入射分量同時被等幅度地抑制或增強；其約束遵循的是動量守恒，而非能量守恒。

(c)因此，在信號光與輔助光功率相差懸殊的情況下（左圖），對于給定的泵浦功率，總能找到某一信號—輔助光強度比，使信號在輸出端被抵消或放大（中圖紅色縱軸），同時輔助光也出現完全相同的強度調制（藍色縱軸），這與面內動量守恒的預期一致。需要注意的是，由于反射輔助光（Det.2）的功率約為反射信號光（Det.1）的20倍，其相對調制幅度顯著更小。右圖：這將導致總輸出功率的相對調制很弱。總輸出功率通過對兩個輸出通道的強度求和得到（陰影曲線），其量級與實驗測量不確定度（陰影區域）相當；該不確定度由四束出射波（反射與 PC 的信號光/輔助光）各自不確定度之和的標準差估算，且在計算中不考慮干涉項。

(d)提高泵浦功率（左）可使實驗在相近的輸入信號光與輔助光強度下運行，從而使兩路輸出（信號與輔助）在幅度與基線水平上均趨于一致（中），并在總輸出探測光強度上產生顯著的調制（右）。

最后，文章系統研究了泵浦強度對放大、吸收效率及干涉可見度的影響。圖中展示了隨泵浦增強出現的效率變化、可見度下降及再恢復現象，并通過光譜演化揭示了ITO 中快、慢非線性調制過程的競爭作用。這一結果不僅驗證了理論模型的適用范圍，也為未來在更強調制條件下實現寬帶時間域 CPA 與放大提供了方向。

圖 5.增益與損耗對泵浦強度的依賴關系、條紋可見度以及輸出波譜

(a)實驗測得（虛線加圓點）與理論預測（實線）的相位共軛效率（左軸，藍色）以及由泵浦引起的反射率調制（右軸，紅色）隨泵浦強度（對數坐標）的變化關系。在較弱泵浦條件下，兩者符合良好；而當泵浦強度超過約 20GWcm?2 時，相位共軛效率的實驗結果與理論開始出現明顯偏離；當泵浦強度高于約50GWcm?2 時，反射調制的偏離亦變得顯著。

(b)當泵浦強度約為30GWcm?2 時，干涉條紋的可見度顯著下降；而在泵浦強度進一步提高、超過100GWcm?2后，可見度再次上升。

(c)這一行為可由反射信號光（上方光譜圖）與相位共軛輔助光（下方光譜圖）所經歷的紅移來解釋：在較低泵浦強度下，反射信號光的紅移程度明顯大于相位軛輔助光，從而削弱了實現高可見度干涉所需的相干性。隨著泵浦強度繼續大，相位共軛輔助光也發生紅移，部分相干性得以恢復。平均可見度通過對每次掃描中的五個振蕩周期取平均獲得，誤差棒表示這些振蕩周期可見度的標準差。

最后，文章系統研究了泵浦強度對放大、吸收效率及干涉可見度的影響。圖中展示了隨泵浦增強出現的效率變化、可見度下降及再恢復現象，并通過光譜演化揭示了ITO中快、慢非線性調制過程的競爭作用。這一結果不僅驗證了理論模型的適用范圍，也為未來在更強調制條件下實現寬帶時間域 CPA與放大提供了方向。

結論與展望

本文圍繞時間調制介質中光的相干操控問題，系統研究了在無本征增益或損耗條件下實現吸收與放大可切換的新機制。作者突破傳統相干完全吸收依賴空間共振與材料損耗的思路，引入時間周期調制作為新的自由度，提出并驗證了“時間域相干完全吸收”的概念。理論上，將周期調制介質視為光學時間晶體，指出其動量能隙中同時存在增益模與損耗模，而通過兩束反向傳播探測光的相干干涉，可選擇性激發不同模態，從而實現吸收或放大。實驗上，利用亞波長ITO薄膜在光學頻率下實現快速介電調制，成功演示了在同一器件中通過相位和強度調控實現高對比度的吸收與放大切換。進一步研究揭示了輸出行為受動量守恒支配的本質特征，以及泵浦強度下快慢非線性過程對相干可見度的影響。該工作為時間調制光學體系中增益與損耗的相干調控提供了統一框架，也為光學信號處理和時變光子器件的發展開辟了新方向。