完美的光源！隨機反激光器，完全吸收某種顏色的光

博科園：本文為光學與光子學類

激光器是一種完美的光源（只要提供能量，它就能產生一種特定、清晰的顏色）。然而，也有可能創造出它的對立面：一個完全吸收某種顏色的光並幾乎完全耗散能量的物體。維也納大學研究人員已經開發出一種利用這種效應的方法，即使是在光波向各個方向隨機散射非常複雜的系統中。該方法是在維也納計算機模擬的幫助下開發，並與尼斯大學合作進行了實驗驗證。這為所有與波浪現象有關的技術學科開闢了新可能性，這項新方法現已發表在《自然》期刊上。

吸收波的隨機結構

維也納理工大學理論物理研究所的斯特凡·羅特教授說：我們每天都在處理以一種複雜方式散射的波——試想一下，一個手機信號在到達你的手機之前會被反射好幾次。所謂的隨機激光器就是利用這種多重散射。這種奇特的激光器內部結構複雜、隨機，在提供能量時，會發出一種非常獨特的光模式。通過數學計算和計算機模擬，Rotter團隊可以證明這個過程也可以在時間上逆轉。不像光源依靠隨機內部結構發出特定的波，也可以製造出完美的吸收器。

隨機反激光實驗裝置：波導包含一種無序介質，該介質由一組隨機放置的特氟隆圓柱體組成，接收到的微波信號以一種複雜的方式散射。圖片：TU Wien

根據其內部結構的特點，完全地消散一種特定的波，而不讓它的任何部分逃逸。這可以想像成製作一部普通激光發射激光的電影，然後反向播放。Stefan Rotter說：由於這種時間反轉類比於激光，這種類型的吸收器被稱為反激光吸收器。到目前為止，這種反激光器只在一維結構中被實現，這種結構被來自相反方向的激光擊中。該研究能夠證明，即使是任意複雜的二維或三維結構也能完美地吸收一種特製的波。這樣，這個概念就可以被廣泛應用。

完美的吸波器

研究項目的主要成果是：對於每一個吸收足夠強波的物體，都能發現一定的波形，並且被這個物體完美的吸收。Stefan Rotter說：然而，如果認為吸收器必須足夠堅固，這樣它就能輕易地吞下所有的入射波，那就錯了。相反，有一個複雜的散射過程，在這個過程中，入射波分裂成許多部分波，然後這些部分波相互重疊，相互干擾，導致最終沒有任何部分波可以發出。反激光中的弱吸收器就足夠了——例如，接收電磁波能量的簡單天線。為了測試計算，研究小組與尼斯大學合作。《自然》期刊第一作者凱文·皮切勒(Kevin Pichler)目前正在斯蒂芬·羅特(Stefan Rotter)的團隊中撰寫論文。

與尼斯大學(University of Nice)烏爾里希·庫爾(Ulrich Kuhl)教授一起花了幾周時間，利用微波實驗將該理論付諸實踐。實際上，理論家做這個實驗有點不尋常，然而能夠在這個項目的各個方面工作，從理論概念到實驗室的實施，這是特別令人興奮的。實驗室建造的「隨機反激光」由一個帶有中央吸收天線的微波室組成，周圍環繞著隨機排列的聚四氟乙烯圓柱體。這些圓柱體就像水坑裡的石頭，水波在水坑裡會發生偏轉和反射，這些圓柱體會散射微波，形成複雜的波型。

Kevin Pichler解釋說：首先從外部通過系統發送微波，然後測量它們到底是如何返回的。了解到這一點，隨機裝置的內部結構就可以得到充分的表徵。這樣就可以計算出在適當的吸收強度下被中心天線完全吸收的波。事實上，當在實驗中實施這個方案時，發現大約99.8%的入射信號被吸收。反激光技術還處於早期階段，但很容易想到潛在的應用。Stefan Rotter說：想像一下，比如說，你可以用正確的方式調整手機信號，讓它完全被手機的天線吸收。在醫學上也經常處理把波能量傳輸到一個非常特定的點的任務，比如衝擊波粉碎腎結石。

博科園-科學科普｜研究/來自: 維也納科技大學

參考期刊文獻:《Nature》

DOI: 10.1038/s41586-019-0971-3

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