相干完美吸收器

同調完美吸收器（coherent perfect absorber, CPA），或稱反雷射（anti-laser），是一種吸收同調波（如同調光波）並將其轉換為某種形式內能（例如熱能或電能）的裝置。它是雷射的時間反轉對應物。同調完美吸收技術讓使用者無需非線性介質，即可用波控制波（以光控制光）。此概念最早由耶魯大學理論學家 A. Douglas Stone 與實驗物理學家曹蕙（Hui W. Cao）領導的團隊，於2010年7月26日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。在2010年9月9日出刊的《物理評論A》（Physical Review A）中，米蘭理工大學的 Stefano Longhi 展示了如何將雷射與反雷射結合在單一裝置中。2011年2月，耶魯大學的團隊打造出首個可運作的反雷射。這是一個雙通道同調完美吸收器，可吸收來自同一雷射的兩道光束，但前提是兩道光束必須具有正確的相位與振幅。最初的裝置吸收了99.4%的入射光，但發明團隊相信未來有可能達到99.999%的吸收率。 光學同調完美吸收器最初是透過一個厚度為數個波長的法布里-珀羅共振腔來實現，並在特定的光學頻率下運作。2012年1月，有研究提出利用類金屬材料的消色散特性來實現薄膜同調完美吸收器，展現出無與倫比的頻寬與薄型輪廓優勢。不久之後，科學家在各種薄膜材料中觀察到同調完美吸收現象，包括光子超材料、多層石墨烯、單層及多層鉻，以及微波超材料。

反雷射原理與展示

在最初的設計中，相同的雷射光束被射向一個由矽晶圓構成的共振腔的兩側，此矽晶圓是一種吸光材料，作為「耗損介質」。當光線從單側入射時，部分會穿透，部分會反射；但若同時從兩側照射，則可能導致所有穿透波與反射波發生破壞性干涉。這種對穿透與反射的完全抑制，會將光能困在耗損介質中，直到完全被吸收。光子在其中來回反彈，直到被吸收並轉換為熱能。相比之下，一般雷射使用的是增益介質，其作用是放大光線而非吸收光線。

薄膜中的同調完美吸收與穿透

若吸收介質的厚度與波長相比非常薄，則從吸收體兩側入射的相互同調波，其建設性干涉會增強吸收程度，而破壞性干涉則會抑制吸收。對於理想的同調吸收薄膜，吸收率可被增強至100%，也可被抑制至0%，吸收率可透過調整入射波之間的相位差在這兩個極端之間進行調控。實現同調完美吸收的必要條件之一是，當僅從單側照射時，該薄膜的作用須如一個（有損耗的）分光鏡，能穿透與反射相等比例的入射功率。而實現同調完美穿透的必要條件則是，當從單側照射時，入射功率各有25%被穿透與反射。

薄膜中的同調完美吸收是超快過程，科學家已展示了對約10飛秒光脈衝的吸收，這意味著它能提供約100 THz的頻寬。單光子的同調完美吸收展示表明，此效應與極低的光強度相容，並為量子技術帶來了機會。

雖然通常考慮的是電磁波的吸收，但此概念也適用於其他波動（如聲波）及其他現象。事實上，由於薄膜上波的建設性與破壞性干涉能增強或抑制波與物質的交互作用，介質對波的任何影響都可以用這種方式來控制，包括與手性及非等向性相關的極化效應，以及折射和非線性光學現象。

應用

同調完美吸收器可用於建構吸收式干涉儀，這在探測器、換能器和光開關等領域可能很有用。另一項潛在應用是在放射學中，同調完美吸收器的原理或可用於精確地將電磁輻射靶向人體組織內部，以進行治療或成像。

將薄膜同調完美吸收器整合至波導中，已促成快速、低耗能的全光學訊號處理與密碼學的原理驗證展示；而將同調完美吸收器與成像系統整合，則實現了全光學聚焦、圖形辨識與影像處理，以及大規模並行全光學訊號處理的展示。原則上，這類應用可提供極高的頻寬與極低的能耗。