近日，美國聖路易斯華盛頓大學楊蘭教授研究組和耶魯大學的Douglas Stone教授以及芝加哥大學的Liang Jiang教授共同合作，利用光學微腔作為平臺探討了不同物理現象誘導的光學系統出現的透明現象。相關工作以“Induced transparency by interference or polarization”為題發表在PNAS（《美國國家科學院院刊》上。

電磁誘導透明，即 EIT（electromagnetically induced transparency），能夠利用一束強光來改變材料的不透明特性，在強吸收的光譜中開闢出一道透明窗，讓特定頻率和偏振的光透過。

圖1.電磁誘導透明（EIT）在原子系統中的基本原理示意圖。

a, 發生EIT的原子系統和Λ型能級。在控制光的作用下，能級

與

強耦合，使得

的激發被抵消，而探測光穿過原子。

b, 探測光在中心頻率ωp附近的透射譜。其呈現寬吸收谷的同時在頻率ωp附近呈現一個窄透明峰。

EIT的物理本質是波的相消干涉。在原子系統中（圖1a），電子可以在不同能級間躍遷，當光子的頻率、偏振剛好滿足條件時，電子便能吸收光子的能量而從低能級（

）躍遷到高能級（

），因此原子系統對這樣的光子是不透明的。然而當一束強的相干光將高能級與其他的低能級（

）耦合起來，那麼這個高能級便很難參與原先的電子躍遷，從而抑制了光的吸收，使材料變得透明。從量子力學的角度而言，激發高能級的兩條躍遷路徑（

和

）具有類似大小的機率幅度，但相位相反，它們之間的相消干涉抵消了高能級態的激發。EIT在透射譜上的表現是一個寬吸收譜中出現窄的透明峰（圖1b）。吸收譜上的劇烈變化會導致色散關係的改變，因此EIT能夠帶來慢光效應，即光的群速度的減慢。慢光對於光資訊的儲存、量子儲存器和資訊處理有著極為重要的意義。

圖2.不同微腔系統中的EIT及各獨立偏振態。a, 雙腔直接耦合。b, 單腔雙模式耦合。c, 雙腔間接耦合。每個體系均構成Λ型能級結構，且受到輸入光偏振（P0）、光學模式偏振（P1 ,P2）的影響。

除了原子體系，EIT也可以在很多經典體系中實現，如波導、光學微腔、超材料等，其原理為經典的波的干涉。例如在微腔中，兩個相互耦合的光學模式可以引起光的相消干涉，使得腔內的光場能量大大降低，從而抑制了腔對光的吸收，而產生EIT現象。近年來，微腔中的EIT被廣泛研究，主要可以分為三個基本體系，即雙腔直接耦合、雙腔間接耦合、單腔雙模式耦合(圖2)。當EIT在這些系統中發生時，我們都可以在透射譜上看到寬吸收譜中出現窄的透明峰。但是基於譜線形狀去判斷EIT往往並不準確，這是由於其他物理現象也可以產生類似的透射譜。因而在實際研究和應用中EIT容易與其他現象相混淆。比如Autler–Townes splitting (ATS)展現的雙吸收谷的形狀容易被誤認為EIT，但實際上其物理原理是耦合引起的能級劈裂，並不涉及干涉效應，與EIT屬於完全不同的物理現象。在本工作中，我們發現光和模式的偏振狀態——一個不可避免的自由度——對EIT有著重要影響但卻很少被關注。當偏振不匹配時，在透射譜上會產生類似於EIT的現象，但其物理根源與EIT完全不同。這類現象我們定義為偏振誘導透明，polarization induced transparency (PIT)。

圖3.偏振誘導透明（PIT）。a, 正向傳播示意圖，輸入光偏振P0, 光腔模式偏振P1和P2 。b, 正向透射譜的PIT線型。c, 正向傳播下，x和y偏振分量的群延時。d, 反向傳播示意圖。e, 反向透射譜。f, 反向傳播下，x和y偏振分量的群延時。

在實驗中（如圖3a），作者將一個較高品質因子的微型環芯腔（左）和一個較低品質因子的微型盤腔（右）耦合到同一根光纖波導上，在兩個微腔中間以及輸入端波導部分分別加入了偏振控制器。當微腔表面有反射時，光可以在兩個微腔之間來回穿梭形成迴路干涉，帶來EIT。為了獨立研究偏振引起的現象，作者首先選取了兩個表面沒有反射的微腔，於是從左側輸入的光只會激發順時針迴音壁模式，而從右側輸入的光只會激發逆時針迴音壁模式。透過兩個偏振控制器對波導上光的偏振進行旋轉，我們可以實現任意的輸入光的偏振狀態和任意的兩腔模式的相對偏振狀態。實驗發現，當兩個腔的偏振一致時，對輸入光的吸收會產生疊加的吸收譜線，但當兩個腔模式的偏振不一致時，比如呈現銳角，則透射譜可以出現類似於EIT的線型，即一個寬吸收谷上出現一個窄透明峰（PIT）（圖3b）。

PIT的出現完全不同於EIT，它不依賴於任何干涉效應。這是由於當入射光與腔模式偏振不同時，不同的偏振成分會有不同的投射率：平行於微腔模式偏振的分量可以與腔進行相互作用，而垂直於微腔模式偏振的分量則完全不會被微腔吸收。這樣經過微腔後，光的整體偏振狀態也會發生改變，進而導致第二個微腔的吸收也會發生變化。PIT雖然不是由干涉引起的，但也能夠改變系統的色散關係，從而帶來慢光或快光效應。一個偏振方向的光被延遲，而另一個偏振方向的光則加快了傳播。這是EIT所不具有的特點。有趣的是，PIT還具有單向傳輸特性，即正向透射譜出現PIT而反向透射譜完全沒有出現PIT（圖3be）。相對應的快慢光效應對於正反向也是不同的（圖3cf）。這在大部分EIT系統中不會出現。

此外，PIT透明峰的大小依賴於兩個模式偏振態的差異。因此PIT對於偏振、傳播方向有高度的依賴性和敏感性。由於微腔表面存在塵埃和粗糙，有時會引起光的反射，使得順時針和逆時針兩種模式發生耦合。這種情況下，系統則可以同時支援EIT和PIT的現象，本文也研究了這樣的複合系統。如果兩個微腔偏振一致，將微型環芯腔調製到奇異點（exceptional point）時，根據手性的不同，EIT開啟或關閉；但如果兩個腔偏振不一致，那麼有可能在兩種奇異點下，透射譜均出現透明峰。

對EIT和偏振現象的準確區分和判斷對於EIT 和慢光的研究有著重要意義，同時偏振誘導透明現象為快慢光調製提供了新的方法，它所伴隨的單向傳輸特性為控制光的傳播提供了一個簡便的途徑。

該文章的第一作者是聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系博士研究生王昌青，通訊作者為楊蘭教授。楊蘭教授是美國聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，同時擔任Photonics Research主編 。她也是美國光學學會(OSA)電氣與電子工程師協會(IEEE)以及美國物理學會 （APS）會士，本科畢業於中國科學技術大學，曾獲得美國自然科學基金會CAREER獎、美國總統青年科學家獎。其帶領的微納光子學實驗室近年來在微納粒子探測、非厄米光學、光機械等領域取得了一系列重要進展，有關成果發表在《自然》，《科學》，《自然-光子學》，《自然-物理學》，《自然-奈米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。

論文資訊：

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