[논문 리뷰] Breaking two laser axioms: Lasing without inversion and thermal equilibrium

Rafi Weill, Michael Zhurahov외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 06.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 낮은 품질인자, 높은 손실, 작은 방출 포착율을 가진 표준 에르븀 Dopant 섬유에서 실온(300K) 및 77K에서 보즈-아인슈타인 광자 열평형화와 레이저 작동 없이도 열평형화가 가능하다는 것을 실험적으로 입증하고, 이는 비율 방정정식을 통한 이론적 지원을 받는다. 열평형과 레이저 작동 없이도 열평형화가 동시에 존재한다는 것은 오랫동안 지속된 레이저 이론의 두 가지 기본 원칙을 도전한다.

ABSTRACT

We demonstrate thermalization and Bose-Einstein (BE) distribution of photons in standard erbium-doped fibers (edf) in a broad spectral range up to ~200nm at the 1550nm wavelength regime. Our measurements were done at a room temperature ~300K and 77K. It is a special demonstration of thermalization of photons in fiber cavities and even in open fibers. They are one-dimensional (1D), meters-long, with low finesse, high loss and small capture fraction of the spontaneous emission. Moreover, we find in the edf cavities coexistence of thermal equilibrium (TE) and lasing without an overall inversion. The experimental results are supported by a theoretical analysis based on the rate equations.

연구 동기 및 목표

• 낮은 품질인자, 높은 손실, 일차원적 에르븀 도핑 섬유 공진기에서 광자가 보즈-아인슈타인 분포와 열평형에 도달할 수 있는지 조사하기.
• 환경 조건 하에서 표준 에르븀 도핑 섬유에서 레이저 작동 없이도 열평형이 동시에 존재할 수 있는지 테스트하기.
• 광자 시스템에서 레이저 작동 없이도 열평형이 가능하다는 전통적인 레이저 원칙에 도전하기.
• 열린, 손실이 큰 섬유 공진기용으로 적용 가능한 이론적 비율 방정식 모델을 통해 실험적 관측을 검증하기.

제안 방법

• 실온(300K) 및 77K에서 1550 nm 파장에서 200 nm 대역폭에 걸쳐 에르븀 도핑 섬유 공진기 내 광자 분포 측정.
• 낮은 품질인자, 수 미터 길이, 열린 섬유 공진기로, 고도의 전파 손실과 작은 자발적 방출 포착율을 특징으로 함.
• 자기발현 방출, 자극 방출, 손실 과정를 포함한 광자 역학을 모델링하기 위해 비율 방정식 적용.
• 측정된 광자 스펙트럼을 보즈-아인슈타인 분포 및 열평형의 이론적 예측과 비교.
• 스펙트럼 특징 분석을 통해 레이저 작동 없이도 열평형 상태와 열평형 상태를 구분하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 에르븀 도핑 섬유 공진기 내 광자는 실온과 77K에서 보즈-아인슈타인 분포에 도달할 수 있는가?
• RQ2 열평형 상태에 동시에 존재하는 시스템에서 레이저 작동 없이도 열평형이 가능할 수 있는가?
• RQ3 낮은 품질인자, 높은 손실, 일차원적 섬유 공진기에서 열평형화가 일어날 수 있는가?
• RQ4 비율 방정식은 이러한 열린, 손실이 큰 시스템에서 광자 행동을 얼마나 정확하게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 300K와 77K에서 에르븀 도핑 섬유 내 광자는 200 nm 대역폭에서 보즈-아인슈타인 분포를 나타내며, 이는 열평형화가 일어났음을 시사한다.
• 레이저 작동 없이도 열평형이 동시에 존재하는 동일한 섬유 공진기 내에서 레이저 작동 없이도 열평형이 가능하다는 것이 실험적으로 입증되었으며, 이는 이러한 상태가 상호 배타적이라는 가정을 도전한다.
• 열린, 낮은 품질인자, 높은 손실 섬유 공진기에서 열평형이 달성되었으며, 이러한 시스템에 대한 기대와는 정반대이다.
• 실험 결과는 자발적 방출, 자극 방출, 손실을 고려한 비율 방정식 모델에 의해 정량적으로 지지된다.