论文信息：
E. Galiffi, A. Harwood, S. Vezzoli, R. Tirole, A. Alu, R. Sapienza, Optical coherent perfect absorption and amplification in a time-varying medium, (2026).
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01833-8
研究背景
传统光学中的相干完全吸收依赖材料本征损耗和空间共振结构，通常表现为窄带响应且工作状态固定，难以在同一器件中灵活切换吸收与放大功能。相比之下，时间调制介质在外部泵浦驱动下突破了能量守恒约束，即使不引入内禀增益或损耗，也能通过参数过程实现对光的放大或衰减，被视为突破静态光学限制的重要方向。然而，在时间周期调制体系中，尽管增益模与损耗模同时存在，既有研究多集中于单向入射情形，实际只能激发增益模，且在光学频段实现相干操控仍面临实验与物理机制上的挑战。基于这一背景，该工作将空间相干完全吸收的干涉选模思想引入时间域，探索在光学频率下通过相干照明实现时间调制介质中增益与损耗的可切换控制，从而为时间域相干完全吸收与放大的统一实现奠定基础。
研究内容
文章首先提出时间域相干操控的核心思想，对比空间相干完全吸收与时间调制介质中的新机制。通过示意图说明，传统空间 CPA 依赖材料损耗与空间干涉，而在时间调制介质中，通过两束反向传播探测光的相干照明，可以在同一结构中实现吸收与放大的切换，其本质不再由材料本征损耗或增益决定，而由时间调制与相位干涉共同控制。
图1.相干照明时变介质以实现增益与损耗的概念
（a)上：空间相干完美吸收（CPA）依赖于以多个入射光束照明一个有损谐振腔，并要求这些光束之间满足特定的振幅与相位关系;（a）下：其时间反演过程——激光——通过恰当设计某一模态与增益介质之间的空间重叠，从而产生相干辐射。
(b)相较之下，在时变介质中，可通过干涉实现对“相干吸收”（交叉传播的波，对应红色区域）与“增益”（被放大的波，对应绿色区域）之间的切换；该切换取决于相向传播输入光束的相位。
随后，文章从理论层面分析时间周期调制介质的物理机制，将其等效为光学时间晶体。图中展示了时间调制在频率—动量空间中打开动量能隙，并在其中同时产生增益模和损耗模。作者进一步指出，单向入射只能激发增益模，而通过两束反向入射光形成驻波，可以选择性激发损耗模或增益模，其关键在于调制相位与电磁能量振荡之间的相对关系。
图 2.相干照明的时变介质中的增益—损耗机制示意
(a)以角频率Ω对介电常数进行周期性调制，会在频率满足ω≈Ω/2 的入射光色散关系中打开一个动量带隙，从而形成一个损耗模（红色，I[ω]> 0）和一个增益模（绿色，I[ω]< 0）。然而，在单一入射波激发的情况下，仅有增益模被激发，并产生大小相等的附加前向与后向通量。
(b)上：相反地，当用两束相向传播的光束照明该介质时，通过使前向与后向的动量通量相互补偿，可以同时选择性地激发增益模与损耗模。(b)下：其原因在于，两束光形成的驻波会导致体系总能量在电场与磁场之间发生振荡。由于介电常数的增大（减小）会使储存在电场中的波动能量减少（增加），两束波之间的相对相位φ以及由此导致的“介电常数调制”与电能量密度 We的峰/谷之间的相位锁定，将决定其共振增强或抑制；这分别对应于增益模或损耗模的激发。
在实验部分，作者设计了一种基于亚波长 ITO 薄膜的时间调制器件，并利用飞秒泵浦脉冲在光学频率下实现周期性介电常数调制。图中给出了实验装置、动量耦合示意以及测得的输出强度随两束探测光相位变化的结果，清楚地展示了在相同器件和泵浦条件下，实现了从显著吸收到强放大的连续可调切换。
图3.实验方案、增益—损耗调控测量及其与理论的对比
(a)实验装置、时间调制及照明方案示意图：一块亚波长厚度的 ITO 薄片由正入射的泵浦光（橙色）进行周期性调制。两束探测光从法线两侧、以θ= ±8°的入射角照射到被调制的ITO上，其中较弱的一束为信号光（红色），较强的一束为辅助光（ancilla，蓝色）。此处我们关注在探测器 Det.1处测得的总强度。
(b)泵浦光在时间上诱导出周期性的介电常数调制，通过垂直的光子跃迁（vertical photonic transitions）将输入波（蓝点）耦合至 PC 波（即负频率分量，粉色）。在本实验中，调制深度约为 2α≈1.65%。
(c)在最优的辅助光—信号光入射强度比下（此时PC辅助光强度与反射信号光强度相当），通过调节两束探测光之间的相对相位，可测得约 400% 的净信号放大以及约 80% 的吸收（红色圆点实线），两者均与线性散射模型的理论预测（绿色曲线）高度一致。
(d)在开启泵浦但无辅助光入射的条件下，以反射信号光强度为归一化基准，给出了探测器 Det.1处强度随相位及辅助光—信号光强度比变化的结果，分别展示了实验测量（左）与理论计算（右）得到的相干放大与吸收，并据此确定最优的辅助光—信号光强度比。
(e)平均干涉可见度通过对每一次扫描中的五个振荡周期取平均得到。误差棒表示在不同辅助光—信号光强度比下，各振荡周期可见度的标准差。可见度在最优条件下达到约90%，且与模型预测符合良好。
进一步的实验结果表明，通过调节辅助光与信号光的强度比和相位，不仅可以抑制或放大某一束光，而且在时间调制体系中，所有输出通道的强度变化遵循动量守恒而非能量守恒。对应图像系统比较了时间调制器件与传统空间分束器的差异，突出了时间域相干操控在整体能量调制方面的独特优势。
图 4.空间与时间相干控制的差异：能量守恒与动量守恒
(a)传统分束器在输出端口之间重新分配来自多束入射波的固定功率，总功率保持不变。
(b)相比之下，时变介质能够将入射波相干叠加，使所有入射分量同时被等幅度地抑制或增强；其约束遵循的是动量守恒，而非能量守恒。
(c)因此，在信号光与辅助光功率相差悬殊的情况下（左图），对于给定的泵浦功率，总能找到某一信号—辅助光强度比，使信号在输出端被抵消或放大（中图红色纵轴），同时辅助光也出现完全相同的强度调制（蓝色纵轴），这与面内动量守恒的预期一致。需要注意的是，由于反射辅助光（Det.2）的功率约为反射信号光（Det.1）的20倍，其相对调制幅度显著更小。右图：这将导致总输出功率的相对调制很弱。总输出功率通过对两个输出通道的强度求和得到（阴影曲线），其量级与实验测量不确定度（阴影区域）相当；该不确定度由四束出射波（反射与 PC 的信号光/辅助光）各自不确定度之和的标准差估算，且在计算中不考虑干涉项。
(d)提高泵浦功率（左）可使实验在相近的输入信号光与辅助光强度下运行，从而使两路输出（信号与辅助）在幅度与基线水平上均趋于一致（中），并在总输出探测光强度上产生显著的调制（右）。
最后，文章系统研究了泵浦强度对放大、吸收效率及干涉可见度的影响。图中展示了随泵浦增强出现的效率变化、可见度下降及再恢复现象，并通过光谱演化揭示了ITO 中快、慢非线性调制过程的竞争作用。这一结果不仅验证了理论模型的适用范围，也为未来在更强调制条件下实现宽带时间域 CPA 与放大提供了方向。
图 5.增益与损耗对泵浦强度的依赖关系、条纹可见度以及输出波谱
(a)实验测得（虚线加圆点）与理论预测（实线）的相位共轭效率（左轴，蓝色）以及由泵浦引起的反射率调制（右轴，红色）随泵浦强度（对数坐标）的变化关系。在较弱泵浦条件下，两者符合良好；而当泵浦强度超过约 20GWcm⁻² 时，相位共轭效率的实验结果与理论开始出现明显偏离；当泵浦强度高于约50GWcm⁻² 时，反射调制的偏离亦变得显著。
(b)当泵浦强度约为30GWcm⁻² 时，干涉条纹的可见度显著下降；而在泵浦强度进一步提高、超过100GWcm⁻²后，可见度再次上升。
(c)这一行为可由反射信号光（上方光谱图）与相位共轭辅助光（下方光谱图）所经历的红移来解释：在较低泵浦强度下，反射信号光的红移程度明显大于相位轭辅助光，从而削弱了实现高可见度干涉所需的相干性。随着泵浦强度继续大，相位共轭辅助光也发生红移，部分相干性得以恢复。平均可见度通过对每次扫描中的五个振荡周期取平均获得，误差棒表示这些振荡周期可见度的标准差。
最后，文章系统研究了泵浦强度对放大、吸收效率及干涉可见度的影响。图中展示了随泵浦增强出现的效率变化、可见度下降及再恢复现象，并通过光谱演化揭示了ITO中快、慢非线性调制过程的竞争作用。这一结果不仅验证了理论模型的适用范围，也为未来在更强调制条件下实现宽带时间域 CPA与放大提供了方向。
结论与展望
本文围绕时间调制介质中光的相干操控问题，系统研究了在无本征增益或损耗条件下实现吸收与放大可切换的新机制。作者突破传统相干完全吸收依赖空间共振与材料损耗的思路，引入时间周期调制作为新的自由度，提出并验证了“时间域相干完全吸收”的概念。理论上，将周期调制介质视为光学时间晶体，指出其动量能隙中同时存在增益模与损耗模，而通过两束反向传播探测光的相干干涉，可选择性激发不同模态，从而实现吸收或放大。实验上，利用亚波长ITO薄膜在光学频率下实现快速介电调制，成功演示了在同一器件中通过相位和强度调控实现高对比度的吸收与放大切换。进一步研究揭示了输出行为受动量守恒支配的本质特征，以及泵浦强度下快慢非线性过程对相干可见度的影响。该工作为时间调制光学体系中增益与损耗的相干调控提供了统一框架，也为光学信号处理和时变光子器件的发展开辟了新方向。
热门跟贴