[논문 리뷰] Three-Level Laser Dynamics with the Atoms Pumped by Electron Bombardment

Fesseha Kassahun|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 07.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 1인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 폐쇄된 캐비티 내에서 전자 빔에 의해 상단 준위로 펌프되는 원자들을 갖는 삼준위 레이저를 연구하며, 정규 순서화된 노이즈 연산자를 사용하여 노이즈 없는 진공 저장소를 모델링한다. 레이저는 임계값 이하에서 작동할 경우 일관된 상태 수준보다 최대 50% 낮은 겹침을 가지며, 이 겹침은 개별 광자의 내재된 성질이며 모든 주파수 간격에서 유지됨을 발견한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 폐쇄된 캐비티 내에서 전자 빔에 의해 펌프되는 원자를 갖는 삼준위 레이저가 생성하는 빛의 양자적 성질을 분석하는 것.
• 정규 순서화된 노이즈 연산자를 통해 진공 저장소를 노이즈 없는 것으로 간주할 조건에서 광자 통계와 겹침을 조사하는 것.
• 출력 빛의 겹침이 주파수에 독립적인지, 개별 광자의 내재된 성질인지 판단하는 것.
• 특히 임계값 이하에서 최대 겹침이 발생하는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 원자들이 순차적 구성(|a⟩, |b⟩, |c⟩)을 이루는 삼준위 레이저 시스템을 모델링하며, |a⟩↔|b⟩ 및 |b⟩↔|c⟩ 전이가 캐비티 모드와 공 resonance 한다.
• 전기 dipole 결합 전이를 통해 원자-캐비티 상호작용을 기술하는 해밀토니안을 사용하며, 결합 상수 g와 캐비티 소멸 연산자 b̂를 포함한다.
• 양자 랭지비안 방정식을 적용하여 캐비티 모드 및 원자 연산자의 시간에 따른 진화를 유도하며, 일정한 펌프 속도를 가정하고 원자-진공 저장소 간 직접 상호작용은 없음을 가정한다.
• 진공 저장소와 관련된 노이즈 연산자를 정규 순서로 배치하여 저장소 노이즈를 효과적으로 제거하고 동역학을 단순화한다.
• 장시간 근사를 사용하여 광자 수 및 겹침 분산의 정 steady-state 표현식을 유도한다.
• 겹침 변동의 스펙트럼 밀도를 계산하고 주파수 간격 전체에 걸쳐 적분하여 다양한 대역폭에서의 겹침을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폐쇄된 캐비티 내 전자 빔에 의해 펌프되는 원자를 갖는 삼준위 레이저에서 달성 가능한 겹침의 최대 정도는 무엇인가?
• RQ2 레이저 출력의 겹침은 모든 주파수 간격에서 일정한가, 아니면 대역폭에 따라 변하는가?
• RQ3 관측된 겹침은 주파수 독립성에 기반하여 개별 광자의 내재된 성질인가?
• RQ4 다양한 펌프 및 붕괴 속도 조건에서, 특히 임계값 이하에서 겹침 행동은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 노이즈 없는 진공 저장소 모델은 폐쇄 캐비티 삼준위 레이저 시스템에 일관되게 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 레이저가 γc = 4ra 조건에서 임계값 이하에서 작동할 경우, 출력 빛의 최대 겹침은 일관된 상태 수준보다 50% 낮다.
• 캐비티 빛의 겹침은 어떤 주파수 간격에서나 동일하여, 겹침이 주파수에 독립적이고 개별 광자의 내재된 성질임을 나타낸다.
• 출력 빛의 겹침은 캐비티 빛의 겹침과 동일하며, 모든 주파수 간격에서 일정하다.
• 스펙트럼 밀도를 임의의 주파수 범위에 걸쳐 적분한 결과, 겹침은 고려하는 대역폭에 관계없이 일정하게 유지됨을 확인하였다.
• 정규 순서화된 노이즈 연산자의 사용으로 진공 저장소가 효과적으로 노이즈가 없는 것으로 간주되어 시스템의 양자 동역학 분석이 일관되게 가능해졌다.
• 결과는 전자 펌프 조건 하에서 폐쇄 캐비티 삼준위 레이저 시스템에 노이즈 없는 진공 저장소 모델이 물리적으로 타당함을 지지한다.