以光换光 科学家发现控制光的混沌行为的新系统
发布时间：2023-11-03 10:13:38 阅读数： 133
研究人员能够控制通过特殊设计的腔体的各种光频的行为。这项成功的实验为光纤技术的发展铺平了道路，从而为能量存储、计算和信号处理提供了更大的便利。图片来源：Xuefeng Jiang
利用和控制光对能源采集、计算、通信和生物医学传感等技术的发展至关重要。然而，在现实世界中，光行为的复杂性给有效控制光带来了挑战。物理学家安德烈亚-阿卢（Andrea Alù）将光在混沌系统中的行为比喻为台球游戏中的初始破发。
"纽约市立大学研究生中心爱因斯坦物理学教授、纽约市立大学高级科学研究中心光子学计划创始主任、纽约市立大学杰出教授阿卢说："在台球比赛中，发射母球的方式发生微小变化，就会导致球在桌面上弹跳的模式不同。
"光线在混沌腔中的运行方式与此类似。要建立模型来预测会发生什么变得很困难，因为你可以用类似的设置多次进行实验，而每次都会得到不同的反应"。
在发表于《自然-物理》（Nature Physics）的一项新研究中，由纽约市立大学研究生中心研究人员领导的团队描述了一个新平台，通过利用光本身来定制光的散射模式，从而控制光的混沌行为。该项目由共同第一作者蒋雪峰和尹世雄领导，蒋雪峰曾是阿卢实验室的博士后研究员，现任塞顿霍尔大学物理助理教授，尹世雄则是阿卢实验室的研究生。
研究光行为的传统平台通常使用圆形或规则形状的谐振腔，光在谐振腔中以更可预测的模式反弹和散射。例如，在圆形腔体中，只有可预测的独特频率（光的颜色）才能存活，每个支持的频率都与特定的空间模式或模式相关联。
Jaing说，单一频率下的一种模式足以理解圆腔中的物理现象，但这种方法并不能完全展现复杂平台中光行为的复杂性。
"Jaing说："在支持混沌光模式的空腔中，注入空腔的任何单个频率都能激发出成千上万种光模式，而人们通常认为这注定了控制光学响应的机会。"我们已经证明，控制这种混沌行为是可能的。
为了应对这一挑战，研究小组设计了一个大型体育场状空腔，空腔顶部敞开，两侧有两个通道将光线导入空腔。当射入的光线从墙壁上散射并反弹时，上方的摄像头会记录从体育场逃逸的光量及其空间模式。
设备侧面的旋钮用于管理两个输入端的光强度以及它们之间的延迟。相向的通道会导致光束在体育场空腔中相互干扰，从而通过一种被称为 "相干控制 "的过程控制一束光对另一束光的散射。通过调整进入两个通道的光束的相对强度和延迟时间，研究人员明显地持续改变了光在腔外的辐射模式。
这种控制是通过谐振腔中一种罕见的光行为实现的，这种行为被称为 "无反射散射模式"（RSMs），以前曾在理论上预测过，但在光腔系统中却没有观察到。据 Yin 介绍，这项工作中展示的操纵 RSM 的能力可以高效地激发和控制复杂的光学系统，这对能量存储、计算和信号处理都有影响。
"我们发现，在某些频率下，我们的系统可以支持两个独立、重叠的 RSM，这使得所有光线都能进入体育场的腔体，而不会反射回我们的通道端口，从而实现了对光线的控制，"Yin 说。"我们的演示处理的是我们日常生活中使用的光纤带宽范围内的光信号，因此这一发现为在复杂的光学平台中更好地存储、路由和控制光信号铺平了一条新路。"
研究人员的目标是在未来的研究中加入更多的旋钮，提供更多的自由度，进一步揭示光行为的复杂性。
参考资料
Jiang, X. et al. Coherent control of chaotic optical microcavity with reflectionless scattering modes, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02242-w www.nature.com/articles/s41567-023-02242-w
