Science | 如何打造完美吸波材料

撰稿 | Jack（西湖大学 博士生）

对光的有效吸收是人类捕获光能、利用光能的重要基础。人们对材料吸光能力的追求和研究有很长的历史。例如，寒冷的冬天人们会选择穿厚重的深色衣服来增强对太阳光的吸收来御寒，微波实验室通常采用多孔聚氨酯吸波海绵作为微波频段的吸波材料。20世纪初物理学家们对吸收系数为1的假想物体——黑体的研究直接导致了量子物理的出现。2019年，来自麻省理工学院的研究人员更是基于碳纳米管和金属的异质结构打造了吸收率高达99.995%的新型材料[1]。

然而，这些吸波材料普遍存在着吸收系数比较低、材料的体积较大或制备过程昂贵繁琐等缺点，使得这些材料无法广泛应用于现代光伏发电面板或光学芯片中。有没有可能利用体积轻薄的普通材料实现完美吸收，成为现代光学研究的重大挑战之一。近年来，随着非厄米光学领域的兴起，基于反激光（激光的时间反演逆过程）的相干完美吸收（Coherent Perfect Absorption, CPA）为解决这一挑战提供了可行的方案。

鉴于此，近日来自以色列希伯来大学的Ori Katz教授和奥地利维也纳工业大学的Stefan Rotter教授领导的研究团队联合在Science上以“Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts”为题发表重要进展文章，首次提出了通过相干完美吸收实现任意材料对多模式入射光完美吸收的设计思路和实现方案，并从理论、仿真和实验对这一方案进行了验证。

研究结果表明，这种方案能够对全角度、多模式的入射光实现完美吸收，而且这种方案对材料本身的厚度、吸收率没有严格要求，可以用来实现基于任意材料的完美吸收，因此研究人员将这种方法称为“光学陷阱”。这一方法为提升人工光合作用、光伏太阳能电池发电效率，实现遥远天体微弱光线天文探测，设计新型片上光学开关等开辟了新的思路。

图1：基于相干完美吸收实现光学陷阱的原理示意图
图源：Science 377, 995 (2022).

当光从空气中入射到材料的界面上时，会发生光的反射和透射。如果材料足够厚，那么透射的光线就会完全在材料中耗散、被材料吸收。为了增加材料对光的吸收，首先就要减少界面处的反射，让光尽可能的完全透射。诸如相机镜头上的增透膜、阻抗匹配等方法被提出来减少光的反射。尽可能减少光的反射，这是实现完美吸波材料的第一重挑战。

但是，即便实现了光在界面处的完全透射，但是如果材料的厚度比较薄，而且材料的光学损耗又不大的时候，大量的光线依然会从材料中透射出去。自然界中的几乎所有的材料都存在光学损耗，但是光学损耗的大小不一。在集成化、小型化的光学研究大背景下，光学元器件的体积和厚度又很难做大。尽可能将材料厚度做小做薄，这是完美吸波材料的第二重挑战。

因此，要实现对光的完美吸收，就要同时解决这两重挑战：既要实现介质零反射，同时也要实现光在有限厚度介质中的完全损耗。

针对这一问题，2010年来自耶鲁大学的研究人员首次提出基于激光的逆过程—相干完美吸收来实现100%的完美吸波^[2]。如图2所示，相干完美吸收指的是激光的工作过程从时间维度的逆过程。由于光学所遵循的麦克斯韦方程具有时间反演不变特性，即如果一个光学现象存在，那么它的时间反演效应也一定存在。

图2：光学陷阱工作原理与激光的比较
图源：Science 377, 995 (2022).

激光的工作原理如图2(a)所示。激光是由左端的全反射镜、右端的半反射镜、中间的两个棱镜和增益介质组成。在这些元件组成的简并光学腔中，初始光线被两端的全反射镜和半反射镜来回反射和透射，光线始终遵循相同的轨迹，从而保持所有光模式在腔中循环。光线在光腔中每循环一次，光线就会被增益介质放大两次。经过循环往复的增益放大，出射的光束就会成为方向性很好、强度很高的激光。

虽然这种设计最初是为了放大激光器中的光，但它的逆过程—反激光可以用于实现完美光吸收。具体来说，就是把激光中的增益介质换成损耗介质，把激光中的出射光变成了入射光。

当光线从半反射镜一侧入射时，是会有一部分光反射，一部分光透射。为了实现零反射，研究人员巧妙地通过调整两个发射镜之间的距离为4f（f为棱镜的焦距），使得透射光线经过光腔循环之后出射的光线与原反射光线产生相消干涉，从而使反射光线消失。当光路在反激光（光学陷阱）的光腔中循环往复时，每经过损耗介质一次，就将衰减一次。这样，即使损耗介质是厚度很薄、损耗较低的普通材料，理论上也可以实现100%的完美吸收。

在耶鲁大学所提出的最初方案中没有透镜，因此只能对单模光线的完美吸收，难以实际应用。在本工作中（图1），研究人员创新性的将两个棱镜引入到相干完美吸收的过程中，实现了对多模式、全角度的完美吸收，大大拓展了相干完美吸收的适用范围，有力推动了相干完美吸收的应用。

在这篇论文中，研究人员针对这一方案进行了相应的实验验证，具体实验装置图如图3所示。研究人员用波长为633nm的氦氖激光作为入射光源，选择0.6mm厚度的彩色玻璃（透射率为85.2%）作为反激光中的损耗介质。左右两端的全反射镜和半反射镜反射率分别为99.9%和70%。研究人员利用在半反射镜一端的反射光束强度来间接测量吸收该光学陷阱的吸收率。

图3：光学陷阱实验装置实物图
图源：O. Haim/Hebrew University of Jerusalem

研究发现，在完美吸收耦合条件满足时，实验中可以探测到的超过1000个光学模式的反射率仅为4%左右，即吸收率可以达到接近95%。实验中探测到的95%吸收率与理论值100%吸收率的微小实验偏差主要是来源于腔透镜减反射膜以及自成像腔光学和对准的极小像差，这导致了不同模式的腔往返长度略有不同。

此外，研究人员还通过多模光纤的引入研究了随时间变化的动态光束的吸收特性。研究结果表明，这种方法对时变、全角度、多模式光束均具有大于95%的吸收率，而且吸收率对实验样品的缺陷具有极高的鲁棒性和稳定性。在本项研究中，研究人员只研究了单频光线的吸收，未来研究人员还计划将研究拓展到具有一定带宽的多频光束。

无论是要提高光合作用、光伏面板的能量吸收效率，还是增强对宇宙遥远天体微弱星光的探测能力，抑或是要在现代光学芯片上设计光开关等光计算器件，都需要对光能进行有效的吸收和捕获。本文提出的这种全角度、多模式的相干完美吸收不仅为现代光学的能量转化效率提升开辟了全新的思路，而且有望进一步增强光与物质的相互作用、推动非厄米光学的发展。

论文信息

Slobodkin, Y., Weinberg, G., Hörner, H., Pichler, K., Rotter, S., & Katz, O. (2022). Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts. Science, 377(6609), 995–998.

https://doi.org/10.1126/science.abq8103

参考文献

本文封面图来源：以色列希伯来大学

[1]  Kehang Cui and Brian L. Wardle, Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form Carbon Nanotube–Metal Hierarchical Architectures. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 35212–35220 (2019).

[2]  Y. D. Chong et al., Phys. Rev. Lett. 105, 053901 (2010).