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近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授叢龍慶與合作者采用超材料構(gòu)造的諧振腔，利用太赫茲光泵探測(cè)技術(shù)成功演示了“光子剎車”效應(yīng)，同時(shí)在皮秒尺度觀察到剎車過程中光子簡(jiǎn)并模式的剝離、線性頻率轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象，相關(guān)成果以“Temporal loss boundary engineered photonic cavity”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

如果把諧振腔內(nèi)弛豫振蕩的光子比作馳騁在高速公路上的汽車，剎車必不可少。類似剎車的基本原理，通過向激發(fā)的光學(xué)諧振腔內(nèi)注入損耗，改變腔內(nèi)非穩(wěn)態(tài)光子弛豫的阻尼，從而減小其弛豫時(shí)間而迅速“停穩(wěn)”，則可以實(shí)現(xiàn)“光子剎車”，而這一時(shí)間尺度往往在皮秒甚至飛秒量級(jí)。

多數(shù)光學(xué)過程中都希望盡量避免損耗，但如果能精確控制損耗卻能帶來(lái)意想不到的價(jià)值。類似給汽車增加可控摩擦實(shí)現(xiàn)減速，我們也可以給非穩(wěn)態(tài)光子腔注入損耗，操控光子弛豫時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的“剎車”。不同之處在于，操控光子的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝，往往在皮秒甚至飛秒量級(jí)。利用飛秒激光脈沖向半導(dǎo)體腔內(nèi)注入光生載流子的方式，我們能通過精確控制載流子的注入時(shí)機(jī)和強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)像駕駛汽車一樣操控光子。

以具有兩個(gè)本征模式的諧振腔為例（圖1a-1c），在激發(fā)光脈沖（probe pulse）耦合進(jìn)諧振腔之后，這兩個(gè)模式被激發(fā)并以各自的弛豫壽命（品質(zhì)因數(shù)，Q）和頻率向外輻射。在諧振模式輻射期間（非穩(wěn)態(tài)），如果我們選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)向腔內(nèi)注入濃度可控的載流子（圖1c虛線），就可以控制諧振腔的瞬態(tài)損耗，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)激發(fā)光子的動(dòng)力學(xué)調(diào)控并觀察瞬態(tài)損耗耦合到諧振腔所引發(fā)的有趣現(xiàn)象。

從頻域光譜可以清晰的觀察這兩個(gè)模式的光譜屬性和調(diào)制過程（圖1d-1f）。圖1d中紅線展示了向非穩(wěn)態(tài)諧振腔內(nèi)注入瞬態(tài)載流子引發(fā)的兩個(gè)光譜調(diào)制現(xiàn)象：1.模式的異步調(diào)制，只有TE模式得到調(diào)制，TM模式并無(wú)影響；2.被調(diào)制光譜附近產(chǎn)生了“漣漪”。第一個(gè)光譜現(xiàn)象可通過連續(xù)調(diào)制瞬態(tài)載流子注入時(shí)間詳細(xì)研究，直接觀察二者的異步調(diào)制過程（圖1f，區(qū)別于圖1d藍(lán)線和1e中常見的同步調(diào)制過程），并且定量地判定兩個(gè)模式之間的異步調(diào)制時(shí)間差是由二者Q值差異決定。第二個(gè)光譜特征則是由于瞬態(tài)損耗的注入破壞了本征TE模式的洛倫茲線型并耦合進(jìn)新的頻率分量導(dǎo)致。

圖1.a-c從時(shí)域光譜理解瞬態(tài)損耗注入；d-f從頻域光譜理解瞬態(tài)損耗導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)模式異步調(diào)制。

這兩個(gè)典型光譜特征都通過太赫茲光泵探測(cè)（THz OPTP）實(shí)驗(yàn)在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)得以驗(yàn)證，并且利用瞬態(tài)雙極化模型從物理上理解該非穩(wěn)態(tài)過程且從數(shù)值上再現(xiàn)了所有的實(shí)驗(yàn)光譜特征（圖2b-d）。利用超快瞬態(tài)損耗注入的方式具備在不影響其他模式屬性的前提下將兩個(gè)簡(jiǎn)并的模式從時(shí)域剝離的能力，這種模式區(qū)分方式是其他任何手段無(wú)法達(dá)到的。兩個(gè)耦合模式的分離閾值由系統(tǒng)的“過阻尼”和“欠阻尼”振蕩切換過程定量描述（圖2a）。另外，在載流子的注入過程中除了對(duì)折射率虛部的瞬態(tài)調(diào)制之外，對(duì)其實(shí)部也伴隨著相應(yīng)的瞬態(tài)調(diào)制；而對(duì)非穩(wěn)態(tài)諧振腔實(shí)部的瞬態(tài)調(diào)制過程類比于突然改變振動(dòng)琴弦的長(zhǎng)度，必然改變腔內(nèi)光子的頻率，從而伴隨著輻射光子頻率的轉(zhuǎn)換。這個(gè)頻率轉(zhuǎn)換過程是線性的，或?qū)樘掌濐l率轉(zhuǎn)換提供新的可行思路。

圖2.a 瞬態(tài)損耗注入引起的相位譜調(diào)制和傳輸參量的極坐標(biāo)圖；b-d 利用瞬態(tài)雙極化模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)光譜重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

“光子剎車”效應(yīng)用于時(shí)域模式剝離的方法結(jié)合超表面可實(shí)現(xiàn)超快波束掃描器件，助力激光雷達(dá)、太赫茲通信應(yīng)用；線性頻率轉(zhuǎn)換機(jī)制在太赫茲波段尤為重要，有望繞開非線性參量過程對(duì)強(qiáng)場(chǎng)光源的依賴，應(yīng)用于線性太赫茲頻率轉(zhuǎn)換；非穩(wěn)態(tài)的超快調(diào)控過程有望為量子壓縮態(tài)產(chǎn)生提供可行思路。

叢龍慶為本論文的唯一通訊作者，南科大為論文第一單位。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國(guó)家青年人才計(jì)劃項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27014-z 

供稿：電子與電氣工程系

通訊員：李佰英

主圖：丘妍

編輯：朱增光