[论文解读] CPA-lasing associated with the quasibound states in the continuum in asymmetric non-Hermitian structures

Denis V. Novitsky, Adrià Canós Valero+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 70被引用 53

一句话总结

本文提出了一种由非对称非厄米光子结构中的连续体中的准束缚态（准-BIC）诱导的CPA-激光机制——即同时实现相干完美吸收与激光。通过在具有零介电常数（ENZ）介质的三明治结构中引入几何不对称性或非厄米不对称性，作者展示了品质因数与反不对称参数之间的线性依赖关系，并在CPA-激光点观察到一种反直觉的、由损耗诱导的类激光响应。

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.

研究动机与目标

• 研究非厄米光子系统中从准-BIC到CPA-激光的转变机制，该系统包含损耗与增益。
• 探讨几何不对称性与非厄米不对称性在ε-近零（ENZ）多层结构中实现CPA-激光的作用。
• 表征此类系统中品质因数对反不对称参数的异常线性依赖关系。
• 识别并分析在非厄米不对称条件下，CPA-激光点处出现的反直觉的损耗诱导类激光行为。
• 展示此类结构在传感与可调谐激光应用中的潜力。

提出的方法

• 采用散射矩阵技术分析非厄米系统中散射矩阵的极点与零点。
• 利用Drude-Lorentz模型，建立具有ENZ介质间隔层及外层为损耗与增益介质（介电常数ε±(ω) = 1 ± iγ − ω²p/ω²）的三明治结构模型。
• 通过调节增益层厚度（d− = αd+）相对于损耗层（d+）的方式引入几何不对称性，其中α为不对称参数。
• 通过调节增益层中的非厄米参数γ（γ− = βγ+）而保持损耗层固定，引入非厄米不对称性。
• 使用传输矩阵法计算反射光谱，并识别Fano谱线型与CPA-激光点等共振特征。
• 通过改变不对称参数α或β，分析从准-BIC深谷到CPA-激光峰的转变过程，固定入射角θ = 23.881°且γ = 0.001。

实验结果

研究问题

• RQ1 几何不对称性（损耗与增益层厚度不同）如何影响非厄米ENZ结构中从准-BIC到CPA-激光的转变？
• RQ2 非厄米不对称性（增益层中γ的变化）在实现CPA-激光及诱导损耗诱导类激光行为中起什么作用？
• RQ3 为何该系统中品质因数表现出对不对称参数倒数的线性依赖？
• RQ4 在何种临界不对称参数下，系统从反射深谷（准-BIC）转变为反射峰（CPA-激光）？
• RQ5 CPA-激光点能否与准-BIC共振直接关联？这对传感与激光应用有何意义？

主要发现

• CPA-激光点在临界几何不对称参数αt ≈ 1.0056处出现，此时系统因增益略高于损耗，从反射深谷转变为反射峰。
• 共振的品质因数表现出对不对称参数倒数的线性依赖，此行为在对称系统中未被观测到。
• 在CPA-激光点（αt ≈ 1.0056）处观察到Fano谱线型，表明宽F-P共振与窄等离子共振之间存在干涉。
• 在非厄米不对称条件下，CPA-激光点处出现反直觉的损耗诱导类激光响应，即尽管净损耗存在，仍发生类激光放大。
• CPA-激光与准-BIC直接关联，表现出强烈的光放大与高Q因子，使该系统在传感与可调谐激光应用中极具前景。
• 从准-BIC到CPA-激光的转变由损耗与增益之间的竞争驱动，系统在临界不对称点附近维持稳定且高Q的共振。