Theory of a massively parallel coherent perfect absorber in a degenerate 4f-cavity

Abstract

Bei derzeit existierenden Implementierungen sogenannter kohärenter perfekter Absorber (CPAs) handelt es sich im Allgemeinen um Zwei-Port-Vorrichtungen, bei denen zwei einfallende Strahlen im Hinblick auf die genaue Form ihres transversalen Modenprofils und auch im Hinblick auf die gegenseitigen Phasenbeziehungen sorgfältig gesteuert werden müssen. Infolgedessen erfordern diese Versuchsanordnungen eine sehr aufwändige und schwierige Feinabstimmung, und selbst bei perfekter Justierung sind sie nicht in der Lage, jeden beliebigen einfallenden kohärenten Lichtstrahl mit passender Wellenlänge zu absorbieren, sondern nur sorgfältig konstruierte Wellenfronten.In dieser Arbeit stellen wir einen neuen Typ eines massiv parallelen, kohärenten perfekten Absorbers in Form einer entarteten 4f-Kavität vor. Die entsprechende Theorie wird abgeleitet und durch umfangreiche Computersimulationen unterstützt. In diesen numerischen Simulationen wird die zu erwartende Effizienz einer möglichen experimentellen Implementierung bestimmt. Darüber hinaus wird die Empfindlichkeit gegenüber Abweichungen von den idealen Parametern erforscht. Dieser neue Typ von 4f-Cavity-CPA benötigt nur einen einzigen Port, um die einfallende Lichtwelle zu absorbieren, und auch der einfallende Strahl benötigt keine spezielle Wellenfront-Gestaltung, um absorbiert zu werden. Vielmehr ist der 4f-Cavity-CPA in der Lage, eine beliebige Superposition einer sehr großen Anzahl von transversalen Moden perfekt zu absorbieren, was einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zu derzeit existierenden Implementierungen darstellt.

Currently existing implementations of so-called Coherent Perfect Absorbers (CPAs) are in general two-port devices, where two incident beams must be carefully controlled with regard to the exact shape of their transverse mode profile, and also with regard to the mutual phase relations. As a result, these experimental setups require very elaborate and delicate tuning, and even with perfect adjustment they are not able to absorb just any incoming coherent light-beam of matching wavelength, but only carefully engineered wavefronts.In this thesis we present a new type of massively parallel, coherent perfect absorber in the form of a degenerate 4f-cavity. The according theory is derived and supported by extensive computer simulations. In these numerical simulations, the expected efficiency of a potential experimental implementation is determined. Moreover, the sensitivity to deviations from ideal parameters is explored. This new type of 4f-cavity-CPA requires just one single port to absorb the incident light wave, and also the incident beam does not need any special wavefront-shaping to be absorbed. Rather, the 4f-cavity-CPA is capable of perfectly absorbing any superposition of a very large number of transverse modes, which is a significant advancement compared to currently existing implementations.