PNAS: 透明源于干涉还是偏振？

透明和不透明是材料、体系最基本的光学性质，其本质来源于光与物质的相互作用。大多数不透明的物质对光有非常强的吸收或散射，其透明程度也强烈依赖于光的频率、偏振等特性。

近日，美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授研究组和耶鲁大学的Douglas Stone教授以及芝加哥大学的Liang Jiang教授共同合作，利用光学微腔作为平台探讨了不同物理现象诱导的光学系统出现的透明现象。相关工作以“Induced transparency by interference or polarization”为题发表在PNAS（《美国国家科学院院刊》上。

电磁诱导透明，即 EIT（electromagnetically induced transparency），能够利用一束强光来改变材料的不透明特性，在强吸收的光谱中开辟出一道透明窗，让特定频率和偏振的光透过。

图1.电磁诱导透明（EIT）在原子系统中的基本原理示意图。

a, 发生EIT的原子系统和Λ型能级。在控制光的作用下，能级

与

强耦合，使得

的激发被抵消，而探测光穿过原子。

b, 探测光在中心频率ω_p附近的透射谱。其呈现宽吸收谷的同时在频率ω_p附近呈现一个窄透明峰。

EIT的物理本质是波的相消干涉。在原子系统中（图1a），电子可以在不同能级间跃迁，当光子的频率、偏振刚好满足条件时，电子便能吸收光子的能量而从低能级（

）跃迁到高能级（

），因此原子系统对这样的光子是不透明的。然而当一束强的相干光将高能级与其他的低能级（

）耦合起来，那么这个高能级便很难参与原先的电子跃迁，从而抑制了光的吸收，使材料变得透明。从量子力学的角度而言，激发高能级的两条跃迁路径（

和

）具有类似大小的概率幅度，但相位相反，它们之间的相消干涉抵消了高能级态的激发。EIT在透射谱上的表现是一个宽吸收谱中出现窄的透明峰（图1b）。吸收谱上的剧烈变化会导致色散关系的改变，因此EIT能够带来慢光效应，即光的群速度的减慢。慢光对于光信息的存储、量子存储器和信息处理有着极为重要的意义。

图2.不同微腔系统中的EIT及各独立偏振态。a, 双腔直接耦合。b, 单腔双模式耦合。c, 双腔间接耦合。每个体系均构成Λ型能级结构，且受到输入光偏振（P₀）、光学模式偏振（P₁ ,P₂）的影响。

除了原子体系，EIT也可以在很多经典体系中实现，如波导、光学微腔、超材料等，其原理为经典的波的干涉。例如在微腔中，两个相互耦合的光学模式可以引起光的相消干涉，使得腔内的光场能量大大降低，从而抑制了腔对光的吸收，而产生EIT现象。近年来，微腔中的EIT被广泛研究，主要可以分为三个基本体系，即双腔直接耦合、双腔间接耦合、单腔双模式耦合(图2)。当EIT在这些系统中发生时，我们都可以在透射谱上看到宽吸收谱中出现窄的透明峰。但是基于谱线形状去判断EIT往往并不准确，这是由于其他物理现象也可以产生类似的透射谱。因而在实际研究和应用中EIT容易与其他现象相混淆。比如Autler–Townes splitting (ATS)展现的双吸收谷的形状容易被误认为EIT，但实际上其物理原理是耦合引起的能级劈裂，并不涉及干涉效应，与EIT属于完全不同的物理现象。在本工作中，我们发现光和模式的偏振状态——一个不可避免的自由度——对EIT有着重要影响但却很少被关注。当偏振不匹配时，在透射谱上会产生类似于EIT的现象，但其物理根源与EIT完全不同。这类现象我们定义为偏振诱导透明，polarization induced transparency (PIT)。

图3.偏振诱导透明（PIT）。a, 正向传播示意图，输入光偏振P₀, 光腔模式偏振P₁和P₂ 。b, 正向透射谱的PIT线型。c, 正向传播下，x和y偏振分量的群延时。d, 反向传播示意图。e, 反向透射谱。f, 反向传播下，x和y偏振分量的群延时。

在实验中（如图3a），作者将一个较高品质因子的微型环芯腔（左）和一个较低品质因子的微型盘腔（右）耦合到同一根光纤波导上，在两个微腔中间以及输入端波导部分分别加入了偏振控制器。当微腔表面有反射时，光可以在两个微腔之间来回穿梭形成回路干涉，带来EIT。为了独立研究偏振引起的现象，作者首先选取了两个表面没有反射的微腔，于是从左侧输入的光只会激发顺时针回音壁模式，而从右侧输入的光只会激发逆时针回音壁模式。通过两个偏振控制器对波导上光的偏振进行旋转，我们可以实现任意的输入光的偏振状态和任意的两腔模式的相对偏振状态。实验发现，当两个腔的偏振一致时，对输入光的吸收会产生叠加的吸收谱线，但当两个腔模式的偏振不一致时，比如呈现锐角，则透射谱可以出现类似于EIT的线型，即一个宽吸收谷上出现一个窄透明峰（PIT）（图3b）。

PIT的出现完全不同于EIT，它不依赖于任何干涉效应。这是由于当入射光与腔模式偏振不同时，不同的偏振成分会有不同的投射率：平行于微腔模式偏振的分量可以与腔进行相互作用，而垂直于微腔模式偏振的分量则完全不会被微腔吸收。这样经过微腔后，光的整体偏振状态也会发生改变，进而导致第二个微腔的吸收也会发生变化。PIT虽然不是由干涉引起的，但也能够改变系统的色散关系，从而带来慢光或快光效应。一个偏振方向的光被延迟，而另一个偏振方向的光则加快了传播。这是EIT所不具有的特点。有趣的是，PIT还具有单向传输特性，即正向透射谱出现PIT而反向透射谱完全没有出现PIT（图3be）。相对应的快慢光效应对于正反向也是不同的（图3cf）。这在大部分EIT系统中不会出现。

此外，PIT透明峰的大小依赖于两个模式偏振态的差异。因此PIT对于偏振、传播方向有高度的依赖性和敏感性。由于微腔表面存在尘埃和粗糙，有时会引起光的反射，使得顺时针和逆时针两种模式发生耦合。这种情况下，系统则可以同时支持EIT和PIT的现象，本文也研究了这样的复合系统。如果两个微腔偏振一致，将微型环芯腔调制到奇异点（exceptional point）时，根据手性的不同，EIT开启或关闭；但如果两个腔偏振不一致，那么有可能在两种奇异点下，透射谱均出现透明峰。

对EIT和偏振现象的准确区分和判断对于EIT 和慢光的研究有着重要意义，同时偏振诱导透明现象为快慢光调制提供了新的方法，它所伴随的单向传输特性为控制光的传播提供了一个简便的途径。

该文章的第一作者是圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系博士研究生王昌青，通讯作者为杨兰教授。杨兰教授是美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，同时担任Photonics Research主编 。她也是美国光学学会(OSA)电气与电子工程师协会(IEEE)以及美国物理学会 （APS）会士，本科毕业于中国科学技术大学，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖。其带领的微纳光子学实验室近年来在微纳粒子探测、非厄米光学、光机械等领域取得了一系列重要进展，有关成果发表在《自然》，《科学》，《自然-光子学》，《自然-物理学》，《自然-纳米科技》，《自然通讯》，《美国国家科学院院刊》等期刊。

论文信息：

Changqing Wang, Xuefeng Jiang,  William R. Sweeney,  Chia Wei Hsu, Yiming Liu, Guangming Zhao, Bo Peng, Mengzhen Zhang,  Liang Jiang, A. Douglas Stone, and Lan Yang, Induced transparency by interference or polarization, Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (3) e2012982118 (2021)

https://www.pnas.org/content/118/3/e2012982118