[論文レビュー] Three-Level Laser Dynamics with the Atoms Pumped by Electron Bombardment

Fesseha Kassahun|arXiv (Cornell University)|May 7, 2011

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、閉じたキャビティ内で電子衝突によって上位準位に励起される原子を有する三準位レーザーを、正順序化ノイズ演算子を用いてノイズのない真空リザボアとしてモデル化することで検討する。このレーザーは閾値未満で動作する際、コherent状態レベルより最大50%低い四分位ずれ光を生成するが、これは個々の光子に内在する性質であり、あらゆる周波数帯域で保存される。

ABSTRACT

We analyze the quantum properties of the light generated by a three-level laser with a closed cavity and coupled to a vacuum reservoir. The three-level atoms available in the cavity are pumped from the bottom to the top level by means of electron bombardment and we carry out our analysis by putting the noise operators associated with the vacuum reservoir in normal order. The maximum quadrature squeezing of the light generated by the laser, operating far below threshold, is found to be 50% below the coherent-state level. We have also established that the quadrature squeezing of the output light is equal to that of the cavity light and has the same value in any frequency interval. This implies that the quadrature squeezing of the laser light is an intrinsic property of the individual photons.

研究の動機と目的

• 閉じたキャビティ内で電子衝突によって励起される原子を有する三準位レーザーが生成する光の量子的性質を分析すること。
• ノイズ演算子の正順序化により真空リザボアをノイズのないものとして扱う条件下で、光子統計および四分位ずれを調査すること。
• 出力光の四分位ずれが周波数に依存せず一定であるかどうか、およびそれが個々の光子に内在する性質であるかどうかを特定すること。
• 特に閾値未満で最大ずれが達成される条件を特定すること。

提案手法

• 原子が直列配置（|a⟩, |b⟩, |c⟩）となる三準位レーザー系をモデル化し、|a⟩↔|b⟩および|b⟩↔|c⟩遷移がキャビティモードと共鳴するように設定する。
• 電気双極子結合による原子-キャビティ相互作用を記述するハミルトニアンを用い、結合定数gおよびキャビティ消滅演算子b̂を含む。
• 量子ランジュバン方程式を適用して、キャビティモードおよび原子演算子の時間発展を導出する。励起率は一定であり、原子と真空リザボアの直接的相互作用は仮定しない。
• 真空リザボアに関連するノイズ演算子を正順序に配置することで、リザボアのノイズを実質的に無効化し、系のダイナミクスを簡略化する。
• 長時間近似を用いて、光子数および四分位ずれ分散の定常状態式を導出する。
• 四分位ずれフラクチュエーションのスペクトル密度を計算し、周波数帯域ごとに統合することで、さまざまな帯域幅におけるずれの程度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じたキャビティ内で電子衝突励起を受ける三準位レーザーにおいて、四分位ずれの最大度合いはどの程度達成可能か？
• RQ2 レーザー出力の四分位ずれは、あらゆる周波数帯域で一定であるか、それとも帯域幅に依存して変化するか？
• RQ3 観測されたずれが、周波数依存性から示唆されるように、個々の光子に内在する性質であるとみなせるか？
• RQ4 励起率および減衰率を変化させた場合、特に閾値未満の条件下でずれの挙動はどのように変化するか？
• RQ5 ノイズのない真空リザボアモデルを、閉じたキャビティ内に存在する三準位レーザー系に一貫して適用可能か？

主な発見

• レーザーがγc = 4raで閾値未満で動作する場合、出力光の最大四分位ずれはコherent状態レベルより50%低い。
• キャビティ内の光の四分位ずれは、あらゆる周波数帯域で同一であり、ずれが周波数に依存しない、個々の光子に内在する性質であることを示している。
• 出力光の四分位ずれはキャビティ光のそれと同一であり、あらゆる周波数帯域で一定のままである。
• スペクトル密度を任意の周波数範囲にわたって統合することで確認されたように、ずれは考慮する帯域幅にかかわらず一定のままである。
• 正順序化されたノイズ演算子の使用により、真空リザボアは実質的にノイズのないものとなり、系の量子的ダイナミクスの一貫した解析が可能になる。
• 結果は、電子励起条件下における閉じたキャビティ内三準位レーザー系において、ノイズのない真空リザボアモデルが物理的に妥当であることを支持する。