[論文レビュー] Breaking two laser axioms: Lasing without inversion and thermal equilibrium

Rafi Weill, Michael Zhurahov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、低自由値、高損失、小規模な放射捕捉率を示すにもかかわらず、室温（300K）および77Kにおける標準的なイッソウドドープ光ファイバーで、ボーズ＝アインシュタイン光子熱平衡化およびインヴァージョンなしレーザー発振が実験的に示され、理論的にレート方程式によって裏付けられている。熱平衡状態とインヴァージョンなしレーザーの共存は、長年にわたり確立された2つのレーザーの公理に挑戦する。

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.

研究の動機と目的

• 低自由値、高損失、一次元のイッソウドドープ光ファイバー・キャビティにおける光子がボーズ＝アインシュタイン分布および熱平衡に達するかどうかを調査すること。
• 環境条件下での標準的イッソウドドープ光ファイバーにおいて、インヴァージョンなしレーザーと熱平衡の共存を検証すること。
• 光子系におけるインヴァージョンなしレーザーと熱平衡の従来のレーザー公理に挑戦すること。
• オープンで損失の大きい光ファイバー・キャビティに適用可能な理論的レート方程式モデルによって、実験的観察を検証すること。

提案手法

• 室温（300K）および77Kにおける1550 nm帯で200 nm帯域にわたるイッソウドドープ光ファイバー・キャビティ内の光子分布の測定。
• 高伝送損失および小規模な自発的放射捕捉率を示す、低自由値、メートル級、オープンな光ファイバー・キャビティの使用。
• 誘導放出、自発的放射、損失プロセスを含む光子ダイナミクスをモデリングするためのレート方程式の適用。
• 測定された光子スペクトルとボーズ＝アインシュタイン分布および熱平衡の理論的予測との比較。
• レーザー発振なしインヴァージョンと熱平衡状態の区別に役立てるスペクトル特徴の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的イッソウドドープ光ファイバー・キャビティ内の光子は、室温および77Kでボーズ＝アインシュタイン分布に達することができるか？
• RQ2 同時に熱平衡状態にある系で、インヴァージョンなしレーザー発振は可能か？
• RQ3 低自由値、高損失、一次元のファイバー・キャビティで熱平衡化が起こり得るか？
• RQ4 どの程度まで、レート方程式はこういったオープンで損失の大きな系における光子行動を正確に記述できるか？

主な発見

• 300Kおよび77Kの両方で、イッソウドドープ光ファイバー内の光子は200 nm帯域にわたってボーズ＝アインシュタイン分布を示し、熱平衡化が生じていることを示している。
• 同じ光ファイバー・キャビティ内で、インヴァージョンなしレーザーと熱平衡状態が共存しており、これらが互いに排他的であるという仮定に挑戦している。
• オープンで低自由値、高損失の光ファイバー・キャビティでも熱平衡が達成されており、こうした系に対しては期待されていなかった。
• 実験結果は、自発的放射、誘導放射、損失を考慮したレート方程式モデルによって定量的に裏付けられている。