Buco nero ottico conforme per cavità

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Mappatura della distribuzione omogenea dell'indice di rifrazione nello spazio rettilineo originale (a) su una cavità circolare OBH (b) con indice di gradiente. La regione centrale della cavità OBH è troncata come indice omogeneo. La cavità quadrupolare (c1) e la cavità simile a un'arachide (c2) vengono trasformate dalla cavità circolare OBH in base a diversi parametri strutturali.
CREDITO
di Qingtao Ba, Yangyang Zhou, Jue Li, Wen Xiao, Longfang Ye, Yineng Liu, Jin-hui Chen e Huanyang Chen

Abstract:
La cavità in modalità galleria dei sussurri (WGM) è una piattaforma intrigante per migliorare intensamente l'interazione luce-materia. Getta le basi per laser a soglia ultra bassa, rilevamento ultrasensibile, ottica non lineare e fotonica quantistica. La cavità WGM convenzionale è composta da materiali omogenei con un indice di rifrazione costante sia nel nucleo che nel rivestimento. Il campo luminoso è confinato nella cavità attraverso la riflessione interna totale (TIR) e potenziato attraverso l'interferenza costruttiva. Il fattore Q ultraelevato è stato realizzato in varie cavità dielettriche WGM con un grande volume modale (V) e momento angolare.

Changchun, Cina | Inserito il 30 settembre 2022

Tuttavia, la perdita di radiazione intrinseca in una cavità di confine aperta con una costante dielettrica finita è onnipresente a causa del tunnel di luce della superficie curva dall'analogo della meccanica quantistica. Questa perdita di radiazione è notevolmente aumentata e diventa il meccanismo di perdita dominante quando la lunghezza d'onda di risonanza è paragonabile alla dimensione della geometria delle cavità. C'è uno sforzo incessante per ottimizzare il Q/V nelle cavità ottiche, che è molto importante nell'esplorazione dell'elettrodinamica quantistica della cavità (QED).

In un nuovo articolo pubblicato su eLight, gli scienziati guidati dal professor Huanyang Chen e dal dottor Jin-hui Chen dell'Università di Xiamen hanno studiato le cavità WGM. Il loro articolo, intitolato "Conformal optical black hole for cavità", ha proposto e dimostrato una cavità del buco nero ottico (OBH) basata sull'ottica di trasformazione.

Sono stati proposti vari approcci per manipolare la perdita di radiazioni e migliorare il fattore Q. Ad esempio, la cavità plasmonica è stata costruita impiegando le forti localizzazioni del campo ottico dei metalli. Tuttavia, la perdita ohmica intrinseca nella piattaforma plasmonica è inevitabile. In alternativa, i rivestimenti radialmente anisotropici sono stati implementati per comprimere più energia nel nucleo della cavità, con conseguente confinamento ottico più stretto e un fattore Q sostanzialmente più elevato. Sfortunatamente, i parametri anisotropi sono ancora difficili da implementare per i materiali naturali.

L'ottica di trasformazione (TO) offre una grande versatilità per la manipolazione di raggi luminosi e campi elettromagnetici con nuove funzionalità. Molte affascinanti strutture ottiche progettate da TO consentono la deflessione e l'intrappolamento della luce per imitare gli effetti della cosmologia.

Il team di ricerca ha utilizzato la teoria TO per costruire una classe di cavità OBH. Si scopre che i campi WGM al di fuori del nucleo della cavità circolare OBH seguono una regola di decadimento non convenzionale dalla mappatura conforme. Impiegando il modello del potenziale effettivo, hanno dimostrato che la perdita di radiazione di WGM nella cavità ideale di OBH può essere completamente inibita; quindi, il fattore Q della radiazione è infinito.

Il team ha anche dimostrato il miglioramento del fattore Q e il confinamento in campo ristretto della cavità troncata di OBH. Questo è stato confrontato con una cavità omogenea negli spettri delle microonde. La cavità circolare OBH viene ulteriormente applicata alle cavità di forma arbitraria, comprese le strutture a nucleo singolo e multi-core con fattore Q elevato.

Questa ricerca apre la strada alla manipolazione del campo in superficie con la trasformazione conforme. Può essere generalizzato alle modalità risonanti di vari sistemi d'onda, come le onde acustiche ed elastiche, e trova applicazioni nell'energy harvesting e nell'optoelettronica.

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Contatti:
Light Publishing Center, Istituto di ottica, meccanica fine e fisica di Changchun, CAS
Ufficio: 86-431-861-76851

Contatto esperto

Huanyang Chen
Università di Xiamen, Cina

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