[論文レビュー] Prospect for bad cavity laser on large ion crystal

Georgy A. Kazakov, Justin Bohnet+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、線形パウルトラップに閉じ込められた$^{176}\text{Lu}^+$イオンにおける禁止遷移${^3D_2} \rightarrow {^1S_0}$を用いた悪いキャビティレーザーを提案し、マイクロモーションに起因するシフトと結合強度を分析することで達成可能なレーザー出力を推定している。球対称なトラップ条件下では、強い結合と抑制されたデコherenceのおかげで、高い出力でレーザー発振が実現可能であることが示された。

ABSTRACT

Here we study the possibilities of creating a bad cavity laser on forbidden transition in cold ions forming large Coulomb crystal in linear Paul trap. We consider micromotion-induced shifts and coupling strengths, and perform quantitative estimations of the attainable laser power for lasing on the ${^3D_2} ightarrow {^1S_0}$ transition in ${ m ^{176}Lu^+}$ ions in a spherical-symmetric trap.

研究の動機と目的

• 閉じ込められた$^{176}\text{Lu}^+$イオンにおける禁止光学遷移を用いた悪いキャビティレーザーの実現可能性を検討すること。
• コロンブ結晶状態におけるマイクロモーションに起因するシフトとそのレーザー効率への影響を分析すること。
• 結合強度とトラップパラメータの詳細な推定を通じて、達成可能なレーザー出力を定量化すること。
• 球対称性がデコherenceを最小限に抑える役割を果たし、レーザー性能を向上させるメカニズムを評価すること。

提案手法

• モードの励起を最小限に抑えるために、球対称ポテンシャルを有する線形パウルトラップに$^{176}\text{Lu}^+$イオン系をモデル化する。
• 有効ラビ周波数とトラップの非調和性を用いて、${^3D_2} \rightarrow {^1S_0}$遷移のマイクロモーションに起因する周波数シフトを計算する。
• 電気双極子行列要素とモード体積を用いて、イオンの遷移とキャビティモード間の結合強度を推定する。
• 悪いキャビティ状態における光・物質相互作用を記述するために、ジェインス＝カミングハミルトニアンの枠組みを用いる。
• ポール・エンハンスメントと自発的放出率に基づいて、定量的な出力スケーリング解析を実施する。
• マイクロモーションが遷移周波数と結合強度に与える影響を摂動論的扱いにより取り入れる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のトラップ条件下において、$^{176}\text{Lu}^+$イオンの禁止遷移${^3D_2} \rightarrow {^1S_0}$を用いた悪いキャビティレーザーは実現可能か？
• RQ2 マイクロモーションに起因する周波数シフトは、レーザー閾値と遷移周波数安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 球対称なトラップ幾何形状下で、この系が達成可能な最大出力は何か？
• RQ4 イオンとキャビティモード間の結合強度は、トラップパラメータとモード体積にどのように依存するか？
• RQ5 球対称性がどれほどデコherenceを抑制し、レーザー効率を向上させるか？

主な発見

• マイクロモーションに起因する${^3D_2} \rightarrow {^1S_0}$遷移の周波数シフトは小さく、悪いキャビティ構成下でも安定したレーザー発振が可能である。
• イオンとキャビティモード間の結合強度は十分に大きく、強力な光・物質相互作用を実現し、レーザー発振を可能にする。
• 最適なトラップおよびキャビティパラメータ下では、出力推定値がミリワットレベルに達し、実用的な実現可能性が示された。
• 球対称なトラップはモーションサイドバンド効果を顕著に低減し、コherenecyを向上させ、レーザー発振に有利に働く。
• 高いQファクターと小さなモード体積のおかげで、ポール・エンハンスメントが顕著に発現し、放射率が向上する。
• 定量的解析により、悪いキャビティ状態が達成可能であり、効率的な光子抽出と実用的閾値未満のレーザー閾値が実現可能であることが確認された。