コヒーレント完全吸収体

コヒーレント完全吸収体（CPA）または反レーザーは、コヒーレント光波などのコヒーレント波を吸収し、それを熱や電気エネルギーなどの何らかの内部エネルギーに変換する装置です。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}これはレーザーの時間の反転版です。^{[ 3 ]}コヒーレント完全吸収により、非線形媒体なしで波による波の制御（光による光の制御）が可能になります。

この概念は、理論物理学者A. ダグラス・ストーンと実験物理学者Hui W. Caoが率いるイェール大学のチームによって、2010 年 7 月 26 日号のPhysical Review Lettersに初めて発表されました。^{[ 4 ] [ 5 ]} 2010 年 9 月 9 日号のPhysical Review Aでは、ミラノ工科大学の Stefano Longhi が、レーザーと反レーザーを単一のデバイスに組み合わせる方法を示しました。^{[ 6 ]} 2011 年 2 月、イェール大学のチームは、最初の動作する反レーザーを構築しました。^{[ 7 ] [ 8 ]}これは、同じレーザーからの 2 つのビームを吸収する 2 チャンネル CPA デバイスですが、ビームが正しい位相と振幅を持っている場合に限ります。^{[ 9 ]}初期のデバイスは、入射光の 99.4 パーセントを吸収しましたが、この発明の背後にあるチームは、99.999 パーセントを達成できると考えています。^{[ 7 ]}元々は数波長の厚さを持つファブリ・ペロー共振器 として実装された光CPAは、特定の光周波数で動作します。2012年1月、金属のような材料の無色分散を利用して薄膜CPAが提案され、比類のない帯域幅と薄型プロファイルの利点を示しました。 ^{[ 10 ]}その後まもなく、CPAはフォトニックメタマテリアル^{[ 11 ]}、 多層グラフェン^{[ 12 ]}、単層^{[ 13 ]}および多層^{[ 14 ]}クロム、マイクロ波メタマテリアル^{[ 15 ]}など、さまざまな薄膜材料で観測されました。

初期設計では、シリコンウェハー（「損失媒体」として機能する光吸収材料）からなるキャビティの反対側に同一のレーザービームが照射されます。片側から入射した光は部分的に透過および反射されますが、両側を同時に照射すると、透過波と反射波の破壊的干渉が起こります。このように透過と反射が完全に抑制されると、光エネルギーは損失媒体内に閉じ込められ、完全に吸収されます。光子は吸収されて熱に変換されるまで、行ったり来たりします。^{[ 9 ] [ 7 ]} 対照的に、通常のレーザーは光を吸収するのではなく増幅する利得媒体を使用します。

吸収媒体が波長に比べて薄い場合、吸収体の反対側に入射する相互にコヒーレントな波の建設的干渉により吸収レベルが上昇し、破壊的干渉により吸収が抑制されます。理想的なコヒーレント吸収体薄膜の場合、吸収は100%まで上昇し、0%まで抑制できます。ここで、入射波間の位相差を調整することで、吸収をこれらの極値の間で調整できます。^{[ 11 ]}コヒーレント完全吸収に必要な条件には、フィルムが片側からのみ照射された場合、入射パワーの等しい割合を透過および反射する（損失のある）ビームスプリッターとして機能していることが含まれます。コヒーレント完全透過に必要な条件には、片側からの照射の場合、入射パワーの25%がそれぞれ透過および反射されることが含まれます。

薄膜におけるコヒーレント完全吸収は超高速であり、約10フェムト秒の光パルスの吸収が実証されており、約100 THzの帯域幅を提供できることを示唆している。^{[ 16 ]}単一光子のCPAの実証^{[ 17 ]}は、この効果が任意の低強度と互換性があることを示しており、量子技術の機会につながっている。^{[ 14 ]}

電磁波の吸収が一般的に考えられているが、この概念は他の波（音波^{[ 18 ]}など）や他の現象にも適用できる。実際、薄い物質上での波の建設的干渉と破壊的干渉は波と物質の相互作用を強めたり弱めたりするので、カイラリティや異方性に関連する偏光効果^{[ 19 ]}、屈折^{[ 20 ]}、非線形光学現象^{[ 21 ]}など、媒質が波に及ぼすあらゆる影響をこのように制御できる。

コヒーレント完全吸収体は、検出器、トランスデューサー、光スイッチに役立つ吸収干渉計を構築するために使用できます。^{[ 4 ]}もう1つの潜在的な応用は放射線医学であり、CPAの原理を使用して、治療または画像化の目的で人体組織内の電磁放射線を正確にターゲットにすることができます。^{[ 7 ]}

導波路への薄型コヒーレント完全吸収体の統合^{[ 22 ]}により、高速かつ低エネルギーの全光信号処理および暗号化の原理実証が実現し^{[ 23 ] 、一方、CPAとイメージングシステム[ 24 ]}の統合により、全光集束^{[ 25 ]} 、パターン認識および画像処理^{[ 26 ]}、および大規模並列全光信号処理の実証が可能になった。原理的には、このようなアプリケーションは極めて高い帯域幅と低いエネルギー消費を実現できる。