近日，我校微波光子国家级重点实验室（天元实验室）罗宇教授联合东南大学张婧婧教授、崔铁军院士课题组，在《Nature Communications》上发表题为“Dynamic switching from coherent perfect absorption to parametric amplification in a nonlinear spoof plasmonic waveguide”的学术论文。该工作提出了一种基于非线性原理实现从相干完美吸收到参量放大的方法，并基于该方法实现了人工表面等离激元信号功率的大范围调控。实验室罗宇教授和东南大学张婧婧教授、崔铁军院士为论文共同通讯作者。

      电磁波的相干完美吸收( coherent perfect absorption，CPA )和放大是相反的过程。在单个器件中同时实现这两种过程在生物传感、光探测、雷达隐身、太阳能-热能共享以及无线通信等领域有重要的潜在应用。然而，传统的线性相干完美吸收方法是基于透射和反射光的干涉效应，因此需要器件的尺寸与材料的折射率满足特定的关系，这使得吸收和放大状态之间的动态切换成为一个挑战。本文提出的非线性方法通过引入差频信号提供额外的调控自由度，可适用于任意尺寸和材料的器件，仅通过改变输入的泵浦波与信号波间的相位关系即可实现对信号波输出功率的大范围灵活调制。

     下图展示了在超薄非线性人工表面等离激元（SSPP）波导中实现参量放大到相干完美吸收的工作原理。当SSPP波导中信号波与泵浦波的频率和波矢满足特定关系时，信号波会与泵浦波发生三波混频产生一个与信号波相干的差频波。连续调节输入的泵浦波与信号波间的相位差，能够使产生的差频波与信号波之间从发生相干相消连续变换至发生相干相长，从而连续调节信号波的输出幅度，实现对信号波的从相干完美吸收至参量放大的连续调控。下图所示的实验结果表明，使用约21.52dBm的泵浦波，可使信号波从约22dB的增益连续调节至约-33dB的衰减。同时，该工作中报道的非线性方法具有普适性，可以推广到任意波长范围且适用于其他非线性系统。

      图2 a.在非线性SSPP波导中实现参量放大到相干完美吸收的动态调控工作原理示意图；b SSPP波导的单元结构；c 输出端口处的示意图；d 信号波增益在不同输入波间相位差下随传输距离的变化曲线；e信号波增益在不同传输距离下随输入波间相位差的变化曲线。

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47191-x