基于涌现的昂萨格不可逆热力学的放大光束冷却

高亮度相干光源是光技术的核心，但难以实现。这里，我们提出一种非传统方法，利用光学热力学中的“禁戒化学”将任意入射光束在多模非线性光波导系统中转换为高亮度、高空间相干性的光束，这与冷原子中的蒸发冷却相反，后者会降低亮度。该方法基于这样一个事实：非线性多模结构中的光会因自身光子-光子相互作用而触发不可逆的热化过程。此外，统计力学的关键特征——光学温度和化学势——可以在光子系统中广泛调节。因此，当光学储库的化学势被设计在探测玻色系统的禁带中时，它永远无法与探测系统达到热平衡，从而无限地将探测系统泵浦至增强的亮度和空间相干性。这种光束放大冷却现象通过昂萨格不可逆热力学理论和数值模拟均得到揭示。类似地，由于昂萨格系数的非对角元为负，会出现逆向光子输运电流。我们通过耦合多模光波导系统展示了放大光束冷却的可行性，结果表明经过800轮放大冷却后，入射光束的光功率增强了16倍，同时基模占据率提升至90%。这些发现揭示了一种反常光学现象，并为高质量光源开辟了新途径。