[논문 리뷰] CPA-lasing associated with the quasibound states in the continuum in asymmetric non-Hermitian structures

Denis V. Novitsky, Adrià Canós Valero외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 23.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 70인용 수 53

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 비헤르미트 광학 구조에서 준결합 상태의 연속체( quasi-BIC)에 의해 유도된 CPA-레이저링(동시 일관된 완전 흡수 및 레이저 작동)을 위한 메커니즘을 제안한다. 에프실론-근처 영역(ENZ) 매질을 포함한 삼중층 시스템에 기하학적 또는 비헤르미트 비대칭성을 도입함으로써, 저자들은 품질 인자와 비대칭성 매개변수의 역수 사이에 선형적 의존성을 입증하고, CPA-레이저링 점에서 놀라운 손실 유도 레이저 유사 반응을 관찰한다.

ABSTRACT

Non-Hermitian photonic systems with loss and gain attract much attention due to their exceptional abilities in molding the flow of light. Introducing asymmetry to the $\mathcal{PT}$-symmetric system with perfectly balanced loss and gain, we reveal the mechanism of transition from the quasibound state in the continuum (quasi-BIC) to the simultaneous coherent perfect absorption (CPA) and lasing in a layered structure comprising epsilon-near-zero (ENZ) media. Two types of asymmetry (geometric and non-Hermitian) are analyzed with the scattering matrix technique. The effect of the CPA-lasing associated with the quasi-BIC is characterized with the unusual linear dependence of the quality factor on the inverse of asymmetry parameter. Moreover, the counter-intuitive loss-induced-lasing-like behavior is found at the CPA-lasing point under the non-Hermitian asymmetry. The reported features of non-Hermitian structures are perspective for sensing and lasing applications.

연구 동기 및 목표

• 손실과 증폭을 포함한 비헤르미트 광학 시스템에서 준-BIC에서 CPA-레이저링으로의 전이를 조사하기 위해.
• 기하학적 비대칭성과 비헤르미트 비대칭성이 에프실론-근처 영역(ENZ) 다층 구조에서 CPA-레이저링을 가능하게 하는 역할을 탐색하기 위해.
• 이러한 시스템에서 품질 인자와 비대칭성 매개변수의 역수 사이에 나타나는 이국적인 선형 의존성을 특성화하기 위해.
• 비헤르미트 비대칭성 하에서 CPA-레이저링 점에서 발생하는 놀라운 손실 유도 레이저 유사 행동을 식별하고 분석하기 위해.
• 이러한 구조가 센싱 및 조절 가능한 레이저링 응용 분야에서의 잠재력을 입증하기 위해.

제안 방법

• 비헤르미트 시스템에서 산란 행렬의 극점과 제로점을 분석하기 위해 산란 행렬 기법을 사용한다.
• 드루드-로렌츠 모델을 사용하여, 유전율 ε±(ω) = 1 ± iγ − ω²p/ω²를 갖는 ENZ 도핑 매질을 가진 삼중층 시스템을 모델링한다. 여기서 손실층은 ε+(ω)로, 증폭층은 ε−(ω)로 표현된다.
• 손실층 두께 d+에 비해 증폭층 두께 d− = αd+를 변화시켜 기하학적 비대칭성을 도입하며, α는 비대칭성 매개변수로 사용된다.
• 증폭층의 비헤르미트성 매개변수 γ를 변화시켜 비헤르미트 비대칭성을 도입한다(γ− = βγ+), 손실층은 고정된 상태로 유지된다.
• 반사 스펙트럼을 계산하고, Fano 프로파일 및 CPA-레이저링 점과 같은 공명 특징을 식별하기 위해 전이 행렬 방법을 사용한다.
• 고정된 입사각 θ = 23.881° 및 γ = 0.001 조건에서 비대칭성 매개변수 α 또는 β의 변화에 따라 준-BIC 저하에서 CPA-레이저링 피크로의 전이를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손실층과 증폭층의 두께가 다름에 따라 기하학적 비대칭성이 비헤르미트 ENZ 구조에서 준-BIC에서 CPA-레이저링으로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 증폭층에서 γ를 변화시키는 비헤르미트 비대칭성은 CPA-레이저링을 가능하게 하고 손실 유도 레이저 유사 행동을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 이 시스템에서 품질 인자가 비대칭성 매개변수의 역수에 대해 선형 의존성을 보이는가?
• RQ4 준-반사 저하(준-BIC)에서 반사 피크(CPA-레이저링)로의 전이가 발생하는 임계 비대칭성 매개변수 값은 얼마인가?
• RQ5 CPA-레이저링 점은 직접적으로 준-BIC 공명과 연관될 수 있으며, 센싱 및 레이저링 응용에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• CPA-레이저링 점은 임계 기하학적 비대칭성 매개변수 αt ≈ 1.0056에서 발생하며, 이는 약간의 증폭이 손실을 초월할 때 반사 저하에서 피크로의 전이가 발생하기 때문이다.
• 공명의 품질 인자는 비대칭성 매개변수의 역수에 대해 선형 의존성을 보이며, 이는 대칭 시스템에서는 관찰되지 않는 행동이다.
• CPA-레이저링 점(αt ≈ 1.0056)에서 Fano 프로파일이 관측되며, 이는 넓은 파이브-페로트 공명과 좁은 플라스모닉 공명 간의 간섭을 나타낸다.
• 비헤르미트 비대칭성 하에서 CPA-레이저링 점에서 놀라운 손실 유도 레이저 유사 반응이 관측되며, 이는 네트워크 손실이 존재하는 상황에서도 레이저 유사 증폭이 발생함을 의미한다.
• CPA-레이저링은 직접적으로 준-BIC와 연결되어 있으며, 강한 빛 증폭과 높은 Q-요소를 제공하므로 센싱 및 조절 가능한 레이저링 응용 분야에서 유망하다.
• 준-BIC에서 CPA-레이저링으로의 전이는 손실과 증폭 간의 경쟁에 의해 주도되며, 임계 비대칭성 점 근처에서 안정적이고 고-Q 공명을 유지한다.