Transformation and amplification of light modulated by a traveling wave with a relatively low frequency
本文研究低频行波调制光学谐振腔实现光放大的问题，证明即使行波频率和相速度远小于光波，也能在窄频带内产生强放大并形成多条光学频率梳谱线。
2025-09-23 physics.optics
Towards loss compensated and lasing terahertz metamaterials based on optically pumped graphene
数值计算表明，光泵石墨烯适合于补偿太赫兹（THz）超材料的固有损耗。第一步，计算了光泵浦下石墨烯的复电导率，确定了单层石墨烯中太赫兹放大的合适条件。它示出，在石墨烯中发生放大的温度高达室温和中等泵浦强度时，在电信波长$λ=1.5~\mathrm{μm}$泵浦。此外，石墨烯的放大性能进行了评估和讨论，在温度低至$T=77~\mathrm{K}$和泵浦强度$I=300~\mathrm{mW/mm^2}$调查石墨烯和等离子体裂环谐振器（SRR）超材料之间的耦合。欧姆和介质损耗机制的贡献进行了研究，通过全波模拟。结果发现，开口环谐振器超材料的损耗可以通过石墨烯中的光受激放大来补偿。此外，它表明，由非对称开口环谐振器和光泵石墨烯组成的混合材料可以超过激光阈值条件，并可以发出相干太赫兹辐射在最小输出功率水平的$6 0~\mathrm{nW/mm^2}$。光泵石墨烯的使用非常适合于太赫兹超材料的损耗补偿，并为新型相干太赫兹源铺平了道路。
2013-12-10 physics.optics
Coherent amplification and lasing of weak surface-plasmon polaritons in a negative-index metamaterial with a resonant atomic medium
表面等离子体激元（SPPs）激光需要粒子数反转，效率低，光谱特性差。我们开发了一种无反转的量子等离子体波导的概念，利用单向超辐射SPP发射的辐射产生强烈的相干表面等离子体光束。我们的方案包括一个共振驱动的冷原子介质在无损介质位于超低损耗负折射率超材料~（NIMM）层。我们提出在原子介质和NIMM层界面内产生等离子体场的单向超辐射，并通过引入超辐射SPP波和耦合激光场之间的相位匹配来实现放大的SPP。我们还建立了弱调制等离子体激元场和原子系综的集体振荡之间的参数共振，从而抑制稳定放大的定向极化激元模式的退相干。我们的方法结合了原子介质的量子增益，得到了超辐射SPP波相干放大的充分条件，并将此方法应用于与弱极化激元波耦合的原子介质的量子动力学。我们的波导配置作为一个表面等离子体激元激光器和量子等离子体激元晶体管，并打开了前景，设计可控的纳米尺度激光器的量子和纳米光子应用。
2020-10-15 physics.optics
Tunable Terahertz Amplification Based on Photoexcited Active Graphene Hyperbolic Metamaterials
在太赫兹（THz）频率下的电磁辐射的有效放大和激射是主要通过具有有限可调谐性和窄带功能的量子级联激光器配置实现的非平凡任务。存在对在宽频率范围内具有可重构操作的紧凑且高效的THz电磁源的强烈需求。光激发石墨烯可以作为增益介质，在低THz频率下产生相干辐射，但由于其厚度太薄，其响应非常弱。在这项工作中，我们展示了一种替代设计，以实现有效的可调谐和紧凑的太赫兹放大器和激光器的宽带操作的基础上，主动太赫兹双曲超材料（HMM）设计的多个堆叠的光激发石墨烯层由薄电介质片分离。双曲太赫兹响应的建议的双曲有源隐马尔可夫模型的解析和数值研究和特点。当基于石墨烯的HMM结构被周期性地图案化时，由于双曲色散，宽带慢波传播机制被识别。在这种情况下，可重构放大的太赫兹波在一个很宽的频率范围内获得，这可以通过改变石墨烯的准费米能级可调。我们证明了所提出的可调谐太赫兹放大器或激光器的太赫兹响应由入射光泵浦（光掺杂）和HMM波导阵列中的加载电介质材料控制，这是一个有趣的特性，可以具有太赫兹放大，发射和传感应用的巨大潜力。
2018-11-15 physics.optics
Transformation and amplification of light modulated by a traveling wave with a relatively low frequency
研究发现在现实光子电路中，用低相速度行波调制光学谐振腔并在布里渊相位匹配条件附近可实现窄带光放大，该放大器可在毫米级铌酸锂跑道型谐振腔中由表面声波调制实现。
2024-08-26 physics.optics
Plasmon Injection to Compensate and Control Losses in Negative Index Metamaterials
超材料引入了一个全新的不寻常材料世界，其功能无法通过在亚波长尺度上模仿和控制自然现象而在自然发生的材料系统中获得。然而，固有的吸收损耗对超材料最吸引人的应用提出了根本性的挑战。基于一种新的等离子体激元注入方案，我们提出了一种补偿超材料损耗的相干光放大技术。虽然这里的概念验证设备仅在法向入射下工作，但我们提出的方案可以推广到任意形式的入射波。这种光放大方案与主要的光放大方案有根本的不同。它不需要增益介质，与声子的相互作用，或任何非线性介质。该方案允许无损耗的超材料。它非常适合减轻在可见光谱中工作的超材料的损耗，并且可扩展到其他光学频率。这些发现开启了从零开始制造“神奇”超材料的早期梦想的可能性。
2015-06-20 physics.optics
Linear coupling between lightwaves in metamaterials enables lossless artificial magnetism
光学物理学中的一个众所周知的原理是，当介质响应是严格线性的时，在均匀介质内传播的两个光波之间永远不能交换功率。光波之间的功率交换通常借助于非线性发生。一个典型的例子是非线性光学参量放大，其中净能量可以从高频（高能量）光波（泵浦）流向低频信号波，导致信号波的放大。在这里，我们证明了普通介质的这种限制可以通过使用适当的工程超材料来克服，这些材料在最近的过去已经实现了各种非凡的应用，这些应用是使用传统材料无法实现的，例如完美的透镜，隐形斗篷和被困的彩虹。我们介绍了一个蓝图的磁性超材料，使，在一个完全线性的方式，相干和建设性的主动功率流从一个光波到另一个（第二）光波。
2013-01-25 physics.optics
Directional optical parametric amplification in a hyperbolic metamaterial
本文利用与激子库强耦合的光子晶体波导实现不同导模间的定向OPA，可通过种子光入射角控制闲频传播方向，且对表面缺陷鲁棒、器件更易制备。
2025-02-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
All-optically transformable broad-band transparency and amplification in negative-index films
通过整个负折射率频域产生超材料板的激光诱导光学透明的可能性被示出在控制激光场的一定强度阈值之上。
2008-08-22 physics.optics
Coherent Nonlinear Optics and Quantum Control in Negative-Index Metamaterials
研究了负折射率平板的激光诱导透明和返波信号的参量放大特性。研究了闲频吸收和相位失配对信号放大的影响，并展示了在宽范围的控制场强和板厚下确保鲁棒透明度的可行性。一个特殊的选项，包括一个强大的四波混频响应和负折射率的独立工程的建议和其具体功能进行了研究。通过数值实验证实了在这种方案中对平板透明进行量子控制的可行性。因此，我们展示了补偿等离子体负折射率超材料固有的强吸收的机会和条件，并且我们进一步展示了通过从控制光场到负折射率信号的相干能量转移实现的透明性。
2009-06-01 physics.optics
Temporal metamaterials with gain and loss
在有损耗和有增益的系统中操纵波-物质相互作用已经开辟了随意控制波传播的新机制。在过去的几年中，通过利用从量子物理学中得到启发的宇称时间（PT）对称性概念，已经研究了具有空间非均匀损耗和增益的超材料和超表面。在这项工作中，我们从理论上研究了空间无界的超材料具有时间调制的介电常数，其虚部在时间上调制，以诱导损耗和增益，而实部保持不变的光-物质相互作用的控制。我们在数值上和理论上证明了这种具有损耗和增益的时间调制多阶超材料可以等效于具有由时间阶跃函数建模的有效介电常数的时间有效超材料。有趣的是，它示出了如何的单色电磁波的振幅在这样的时间超材料内旅行可以经历时空衰减或放大取决于添加到系统中的损失和增益的值，而其波数被保存。我们设想，我们的研究结果可能会开辟新的途径，在信号放大和损失减轻的时间超材料的潜在应用的探索。
2021-08-02 physics.app-ph physics.optics
Asymmetric frequency conversion with acoustic non-Hermitian space-time varying metamaterial
时空调制超材料在参量放大、频率转换和非互易传输等方面有着极其丰富的应用。然而，时空调制的实验实现是非常不平凡的，阻碍了许多有趣的物理，从理论上预测到实验证明。在这里，基于所提出的具有软件定义的脉冲响应的虚拟化超材料，我们通过允许材料增益和损耗在时域中进行量身定制和平衡，实验实现了用于高效和非对称频率转换的非厄米时空变化超材料。在频率变换应用中，时空变化能力和非厄米性的结合使得我们可以通过增益-损耗平衡来减小主带，同时提高边带变换的效率。此外，我们的软件定义的超材料的方法是灵活的，以实现与设计能力的声学系统中的量子干涉的模拟。在不同原子之间施加额外的调制相位延迟允许控制这种干涉以在频率转换中获得非对称放大。
2020-09-27 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Unidirectional Amplification and Shaping of Optical Pulses by Three-Wave Mixing with Negative Phonons
利用寻常波和后向波的三波混频特性，可以大大提高受激喇曼散射的频率转换效率。这种过程通常归因于负折射率等离子体超材料。这项工作证明了用现成的晶体取代这种超材料的可能性，这种超材料对工程师来说非常具有挑战性，这种晶体支持具有反向相速度和群速度的弹性波。这项工作的主要目标是研究在短脉冲制度的指示非线性光学过程的具体性质，并表明它能够消除基本的不利影响的快速阻尼的光学声子的过程中有关。在这些应用中，有可能创造出一系列独特的光子器件，如单向拉曼放大器和飞秒脉冲整形器，这些器件具有大大改善的操作特性。
2013-04-26 physics.optics
Four-wave mixing, quantum control and compensating losses in doped negative-index photonic metamaterials
研究了在负折射率超材料中掺杂共振非线性光学中心补偿吸收的可能性。讨论了NIM中量子干涉的作用和对向传播电磁波的四波参量放大的特殊性质。
2007-08-13 physics.optics quant-ph
Generation of entangled 3D localized quantum wave-packets via optical parametric amplification
在近轴和慢变包络近似的框架内，参照正常色散介质或真空，电磁场被给出为非色散和非衍射波包（即X波）的连续量子叠加。在光参量放大中，纠缠态是以（近似）相同速度传播的基元激发对。
2004-03-25 physics.optics quant-ph
Optimization of gain in traveling-wave optical parametric amplifiers by tuning the offset between pump- and signal-waist locations
我们目前的实验演示和建模的相敏光参量放大器的优化，通过调整沿传播方向的泵浦和信号光束腰之间的相对位置。在最佳位置处，泵浦光束在信号光束之后聚焦，并且这种从共位腰部的偏离随着泵浦功率的增加而增加。这种优化导致放大器的实测去放大响应的超过3.dB的改善。
2013-03-01 physics.optics
Resonant absorption and amplification of circularly-polarized waves in inhomogeneous chiral media
已经发现，在介电常数$ε$或磁导率$μ$接近零的介质中以及在$ε$或$μ$从正值变为负值的过渡超材料中，在存在无限小的阻尼或增益以及电磁场的强增强的情况下，发生电磁波能量的强吸收或放大。我们将这些现象归因于横向电磁波向纵向等离子体振荡的模式转换及其逆过程。本文利用不变嵌入方法，从理论上研究了手征介质中的类似现象。在均匀各向同性手征介质中，右旋圆偏振波和左旋圆偏振波是具有不同有效折射率$n_+$和$n_-$的传播的本征模式，而在具有非均匀阻抗变化的手征介质中，它们不再是本征模式并且彼此耦合。我们发现，无论是在均匀的手征板，其中$n_+$或$n_-$是接近零和手征过渡的超材料，其中$n_+$或$n_-$从正值到负值的变化，一个强大的吸收或放大的圆偏振波发生在一个无限小的阻尼或增益的存在。我们提出了详细的模式转换系数的计算，它测量的电磁波能量吸收到介质中的分数，为各种配置的$ε$和$μ$的非均匀阻抗的影响的重点。我们提出了可能的应用这些现象的线性和非线性光学器件，选择性地反应的螺旋圆偏振。
2016-02-19 physics.optics
Resonant nonlinear optics of backward waves in negative-index metamaterials
研究了负折射率掺杂介质中后向波共振四波混频的特殊性质。由于从控制场到信号场的相干能量转移，在这种复合材料中，负折射率和非线性光学响应以及非线性传播过程的量子控制的独立工程的可行性。激光诱导透明，量子开关，频率可调窄带滤波，放大，实现一个微型无镜光学参量发生器的纠缠后向波和普通波的研究过程中可能的应用。
2008-08-14 physics.optics quant-ph
Negative group velocity and three-wave mixing in dielectric crystals
研究了Stokes电磁波光参量放大的特殊特性，这种特性源于两个负群速度的普通电磁波和一个负群速度的后向声子的三波混频。与负折射率等离子体超材料中的对应物的相似性和利用反向传播的普通电磁波以及电磁和声学声子波的差异被示出。它们源于负色散光学声子的落后性。非线性光学光子器件的性质类似于那些预测的负折射率超材料的建议。
2011-04-05 physics.optics
Designing Space-Time Metamaterials: The Central Role of Dispersion Engineering
本文提出通过色散工程设计时空超材料，实现对电磁波的动态四维控制，推动无线通信、量子技术和集成光子学的发展。
2025-11-24 physics.app-ph physics.optics
An Energy Conserving Mechanism for Temporal Metasurfaces
当波传播通过时空超材料时，改变时空超材料的微结构特性通常需要增加或去除能量，这取决于调制类型可以是指数形式。这限制了时空超材料的实现和应用。我们解决了这个问题，通过引入一种新的机制，在非线性设置的时间元表面上保存能量。首先通过考虑在一维弹簧和质量链的离散介质中传播的波包来证明这个想法，其中使用我们的能量守恒机制，我们表明弹簧刚度可以在几个时间界面处增加，并且能量仍然守恒。然后，我们考虑一个有趣的应用程序的时间反演成像在1-d和2-d弹簧质量系统与一个波包旅行的均匀制度。我们的数值模拟表明，在1-d，当波包击中时间界面产生两组波，一个在时间上向前传播，另一个向后传播。时间反演的波重新汇聚在源的位置，我们观察到它的再生。在二维中，我们使用更复杂的初始形状，即使这样，我们也可以观察到原始图像或源的再生。因此，我们在非线性系统中实现了具有能量守恒的时间反演成像。能量守恒机制可以很容易地推广到连续介质。
2022-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph physics.optics
Analytic Inverse Design of Temporal Metamaterials via Space-Time Duality
University of Sannio（萨尼奥大学）；University of L’Aquila（拉奎拉大学）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
本文提出基于时空对偶性和一维空间逆散射理论的分析逆设计框架，通过指定反射和传输响应形式，获得物理上可行的折射率调制，实现对时域超材料的直接分析控制，应用于数学算子和滤波器的合成。
2026-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Controlling light-with-light without nonlinearity
根据惠更斯叠加原理，在线性介质中传播的光束将相互通过而不会相互干扰。事实上，人们普遍认为，用光控制光信号需要强激光场来促进非线性介质中的光束相互作用，其中叠加原理可以被打破。我们在这里证明，任意低强度的两个相干光束可以在纳米级厚度的超材料层上相互作用，使得一个光束调制另一个光束的强度。我们发现，光束的干涉可以消除光能量在超材料中的等离子体焦耳损失，或者相反，可以导致光的几乎全部吸收。这种现象的应用可能在于超快全光脉冲恢复器件、相干滤波器和太赫兹带宽逐光调制器。
2016-04-19 physics.optics
Dispersion of Surface Waves above Time-Varying Reactive Boundaries
在这篇演讲中，我们解析地推导出沿反应边界传播的表面波的色散方程，这些边界在时间上是周期性调制的。此外，我们展示了色散曲线的数值结果，重要的是揭示了时变边界产生的带隙可以通过工程调制谱来控制。此外，我们还指出了一个有趣的效果场放大有关的表面波的存在这样的带隙。放大的效果不需要信号和泵浦波的同步。这种独特的性质在微波到光频的表面波通信中有着广阔的应用前景。
2021-07-31 physics.optics
Dispersion effects in thermal emission from temporal metamaterials: High-frequency cut-offs
本文指出了时变超材料热发射谱在高频区的非物理发散行为源于非色散响应假设，并通过引入色散响应函数升级理论体系，实现了高频截止以消除发散，从而正确计算发射谱。
2024-10-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
An ultra-broadband photonic-chip-based traveling-wave parametric amplifier
本研究采用低损耗二氧化硅上磷化镓光子集成电路，突破带宽与损耗的权衡难题，实现了超宽带高增益的连续波光放大，为光通信等领域提供新方案。
2024-11-01 physics.app-ph physics.optics
Boundary-dominated optomechanics in silicon metamaterial membranes
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay（纳米科学和纳米技术中心，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；Telecommunication Research Institute (TELMA), Universidad de Málaga（马拉加大学电信研究所）；Photonic Systems Laboratory, École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院光子系统实验室）；National Research Council Canada（加拿大国家研究委员会）
本文提出利用垂直呼吸机械模式与横向磁光学模式耦合，实现硅膜中高频率光声学信号处理，展示出12GHz的布拉格增益与高Q因子比。
2026-05-08 physics.optics
Observation of wave amplification and temporal topological state in a genuine photonic time crystal
本文在动态调制传输线超材料构成的光子时间晶体中实验观测到k带隙波放大及由Zak相位刻画的时间拓扑态，为时变光子材料中的光产生与操控开辟新途径。
2025-07-03 physics.optics quant-ph
Finite-Difference and Pseudospectral Time-Domain Methods Applied to Backwards-Wave Metamaterials
同时具有其介电常数和磁导率的负实部的回波（BW）材料可以支持相位和功率传播在相反方向上发生的波。这些材料被预测具有许多不寻常的电磁特性，其中包括点源的近场的放大，这可以导致图像中源场的完美重建[J.Pendry，Phys.Rev.Lett. \textbf{85}，3966（2000）]。通常使用时域有限差分技术来模拟包含BW材料的系统。我们表明，这种技术遭受的数值伪影，由于其交错网格，使其用于模拟涉及BW材料的问题。另一方面，伪谱时域技术使用同位网格，并且没有这种伪影。它还表明，当建模的色散BW材料，线性频率近似方法引入误差，影响消失反射的频率，而辅助微分方程，Z变换，和双线性频率近似方法产生消失反射在正确的频率。消失反射的情况下是特别感兴趣的领域重建成像应用。
2004-06-04 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Frozen light in periodic metamaterials
波在空间周期性介质（如光子晶体）中的传播可以与任何均匀物质有质的不同。当电磁波的波长与周期性结构的原始平移相当时，这种差异尤其明显。在这种情况下，周期性介质不能被分配任何有意义的折射率。尽管如此，在几乎任何光子晶体中都可以发现诸如光传播的某些方向的负折射和/或相反的相速度和群速度之类的特征。唯一的保留是，与假设的均匀左手介质不同，光子晶体在感兴趣的频率范围内基本上是各向异性的。现在考虑入射到半无限光子晶体上的平面波。例如，可以假设在正折射的情况下，群的法向分量和透射布洛赫波的相速度具有相同的符号，而在负折射的情况下，这些分量具有相反的符号。如果透射波群速度的法向分量为零，会发生什么？让我们称之为“零折射”的情况。初看起来，透射波群速度的零法向分量意味着入射波的全反射。但是我们证明了全反射并不是唯一的可能性。相反，透射波可以以具有巨大振幅和近切向群速度的异常掠射模式的形式出现。这种壮观的现象对入射平面波的传播频率和方向极其敏感。这些特性在许多应用中非常有吸引力，例如高次谐波产生和波混合、光放大和激光、高效超级棱镜等。
2006-09-16 physics.gen-ph physics.optics
Amplified up-conversion of electromagnetic waves using time-varying metasurfaces
ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), Research School of Physics, The Australian National University（澳大利亚国立大学变革性超光学系统卓越研究中心物理研究学院）；Instituto de Telecomunicações and Department of Electronics, Telecommunications and Informatics, University of Aveiro（阿威罗大学电信研究所电子、电信与信息系）
利用时变超材料实现微波和太赫兹波段电磁波的高效放大和频率转换，通过级联放大过程突破曼利-罗伊极限。
2026-08-17 physics.app-ph physics.optics
