双通道 or 单通道？探索太赫兹波相干完美吸收器的两种架构

作者：谢裴耀

电磁波的完美吸收在从光学传感到隐身技术的众多应用中具有重要意义。相干完美吸收（Coherent Perfect Absorption，CPA）作为一种基于波干涉的完美吸收机制，近年来在光学领域得到了广泛关注，并凭借其独特的优势，展现出了强劲的潜力。

什么是相干完美吸收？

相干完美吸收是一种能够在特定条件下完全吸收入射光波的现象。与传统的完美吸收（如表面等离激元吸收）不同，CPA利用相干效应在特定的外部条件下调控光的吸收过程，使得系统在多个方向和频率上都能达到近乎100%的吸收效率。这一现象被称为“相干”，因为它涉及到入射波与系统的相互作用，其中系统通过特殊的物理设计（如腔体、耦合器等）与光波实现能量交换。

系统结构

在CPA的研究中，双通道和单通道完美吸收是两种重要的设计方式。它们分别通过不同的光学系统架构来实现光的完美吸收。

图1 常见相干完美吸收的两种系统结构[1]

双通道完美吸收

双通道完美吸收（Dual-channel CPA）设计较为复杂，涉及两个光学通道的耦合。在这种设计中，光信号通过两个通道相互干涉和相位匹配，从而实现对光的完美吸收。双通道CPA的优点在于其能够在更宽的频谱范围内有效吸收光，并且可以通过调节两个通道之间的耦合强度来增强吸收效率。

文献分析： 图2提出了一种基于自互补超表面的双通道相干完美吸收设计。通过对两束相反方向传播的波进行相干干涉，该超表面不仅在低衍射频率下实现了宽频带吸收，而且其吸收区域远小于入射光波长，达到了深亚波长能量集中的效果，极大提高了空间利用率。

本工作利用有限元方法（ANSYS HFSS）进行了数值仿真。当相位差为零时，吸收率接近100%。随着相位差的增加，吸收率逐渐下降，直至相位差为π时，吸收几乎消失。使用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS），在太赫兹频段进行了实验验证。图(d)展示了双通道（红色实线）和单通道（蓝色虚线）下的时域THz信号，频谱插图展示了0.1-0.8THz下的功率分布（以dB为单位）。通过对两束反向传播波进行干涉，证明了该超表面能够实现相干完美吸收。研究证明了这种设计在实际应用中的可行性与优势，为下一步的光学器件、传感器等领域的技术发展提供了新的方向。

图2 基于超表面的双通道相干完美吸收[2]

单通道完美吸收

单通道完美吸收（Single-channel CPA）通常采用简单的光学腔体系统，通过调节腔体的结构、材料和外部激发条件，使得入射光能够通过一个通道进行吸收。这种设计的优点在于其系统结构简单，容易实现和控制。

文献分析：传统的单通道CPA设计存在两个主要挑战：一是带宽狭窄，二是只能对特定的光波前或模式有效。为了解决这些问题，最近的研究结合了光学奇异点（EP）和空间退化的概念，提出了一种基于多个腔体的新型单通道相干完美吸收设计——MAD-EP-CPA（大退化相干完美吸收器）。这种设计不仅突破了CPA的带宽限制，使得吸收器能够在更广的频谱范围内工作，而且通过空间退化的机制，能够对任意入射光波前进行吸收，无论其角度或相位如何变化。本设计包含四个透镜和两个子腔体，通过两个频率重叠的腔体形成奇异点，拓宽频谱响应。使用随机 speckle 场作为入射场，设置各种反射、透射参数进行仿真。在图3b中，黑色虚线为传统 CPA 的反射谱，呈 Lorentzian（洛伦兹）型，对比显示其吸收带宽较窄。黄色曲线为本设计的反射率曲线，其展现出理想的四次效应，表明该系统处于一个奇异点（EP），具有“quartic”行为特征。值得注意的是，可通过调整镜片焦距来补偿吸收材料引起的折射路径偏差，从而恢复 CPA 效果。这一创新的设计不仅有效解决了传统CPA在带宽和模式依赖性方面的局限，还为光学和太赫兹传感器、光学开关等领域的应用提供了更加高效的吸收器解决方案。

图3 多腔体单通道相干完美吸收[3]

参考文献：

[1] Jin Y, Yu K. Broadband single-channel coherent perfect absorption with a perfect magnetic mirror[J]. Optics Express, 2020, 28(23): 35108-35117.

[2] Urade Y, Nakata Y, Nakanishi T, et al. Broadband and energy-concentrating terahertz coherent perfect absorber based on a self-complementary metasurface[J]. Optics Letters, 2016, 41(19): 4472-4475.

[3] Hörner H, Wild L, Slobodkin Y, et al. Coherent perfect absorption of arbitrary wavefronts at an exceptional point[J]. Physical Review Letters, 2024, 133(17): 173801.