[论文解读] Superslow Self-Organized Motions in a Multimode Microwave Phonon Laser (Phaser) under Resonant Destabilization of Stationary Acoustic Stimulated Emission

D. N. Makovetskii|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2004

Quantum optics and atomic interactions参考文献 3被引用 4

一句话总结

本论文首次在超低频（次声波）泵浦调制下，实验观测到多模微波声子激光器（phaser）中存在超慢自组织运动，揭示了一种新型非线性共振——λ共振，此时在1.8 K下，声学微波功率谱（AMPS）的自重构周期可达数小时。该现象源于由周期性泵浦驱动的声学受激辐射模式之间的反相能量交换，其中极化27Al核自旋系统起关键作用。

ABSTRACT

Two qualitatively different kinds of resonant destabilization of phonon stimulated emission (SE) are experimentally revealed for periodically forced multimode ruby phaser (phonon laser) operating at SE frequencies about 9 GHz, i.e. at microwave acoustic wavelengths of 1 micron. The inversion state of Cromium(3+) spin-system in ruby was created by electromagnetic pump at 23 GHz. Under deep modulation of pump power at low frequencies OMEGA_m = 70-200 Hz deterministic chaotic reconfigurations of the acoustic microwave power spectra (AMPS) were observed. This range of SE destabilization corresponds to the relaxational resonance that is well known for optical class-B lasers. Outside the relaxational resonance range, namely at ultra-low (infrasonic) frequencies OMEGA_m about 10 Hz, the other type of resonant destabilization of stationary phonon SE was observed by us for the first time. This new nonlinear resonance (we call it lambda-resonance) manifests itself as very slow and periodically repeated self-reconfigurations of AMPS. Near the vertex of lambda-resonance the period of AMPS self-reconfigurations takes giant values of several hours (at T=1.8 K). The second type of SE resonant destabilization is explained in terms of antiphase energy exchange between acoustic SE modes in a modulated phaser. The role of polarized nuclear spin-reservoir (formed by Aluminium-27 nuclei of the ruby crystalline matrix) in these superslow self-organized motions is discussed. PACS: 05.65.+b, 42.65.Sf, 43.35.+d

研究动机与目标

• 研究在周期性泵浦调制下，多模红宝石phaser中静止声学受激辐射（SE）的共振失稳行为。
• 识别并表征在声子激光器中超越传统弛豫共振的新非线性共振。
• 探讨核自旋系统（27Al）在确定性声子激光系统中实现超慢自组织动力学的作用。
• 解释在次声波激励下，声学微波功率谱（AMPS）中巨长时间尺度自重构现象的产生机制。

提出的方法

• 实验在运行于约9 GHz微波声学频率的红宝石phaser（Cr3+ : Al2O3）上进行，采用1.8 K下的法布里-珀罗声学谐振器（FPAR）。
• 23 GHz的电磁泵浦在Cr3+离子中产生粒子数反转，通过施加低频（70–200 Hz和~10 Hz）调制以诱导共振失稳。
• 监测声学微波功率谱（AMPS）以检测在不同调制频率下自重构行为与共振特性。
• 理论分析采用五维矢量序参量模型（B̲ = (J1, J2, D0, D1, D2)）描述双模受激辐射的非线性动力学，其中τ1 ≫ τC ≫ τ2。
• 该模型包含模式强度（Jn）、反转（Dj）和增益（μn）的线性和非线性项，动力学由τ1 dB̲/dt = Ψ̲(L)(B̲) + Ψ̲(NL)(B̲)决定。
• 共振频率由复李雅普诺夫指数导出：ωR表示弛豫共振，ωλ = |Im(Λ3,4)|表示新型λ共振，且ωλ ≪ ωR。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低频泵浦调制下，多模微波声子激光器中会发生哪些类型的共振失稳？
• RQ2 超低频（次声波）激励是否能诱导在传统激光器中未观测到的新非线性共振？
• RQ3 在约10 Hz的调制频率下，声学微波功率谱（AMPS）中为何会出现超慢自重构？
• RQ4 声学SE模式之间的反相能量交换如何贡献于所观测到的动力学行为？
• RQ5 极化27Al核自旋系统在实现这些超慢自组织运动中起到何种作用？

主要发现

• 观测到两种截然不同的共振失稳区域：在70–200 Hz时出现快速混沌模式交替（弛豫共振），在~10 Hz时出现超慢自重构（λ共振）。
• 在λ共振顶点，AMPS自重构的周期可达数小时，展现出极端时间尺度的动力学行为。
• λ共振频率ωλ由第三和第四李雅普诺夫指数的虚部|Im(Λ3,4)|导出，其值远小于弛豫共振频率ωR。
• 该现象归因于周期性调制phaser中声学SE模式之间的反相能量交换，27Al核自旋系统在稳定超慢动力学中起关键作用。
• 由于SE频率较低（Ω ≈ 3–10 GHz），该系统中相对自发辐射强度比光学激光器低约15个数量级，使其在实际中可视为确定性系统。
• 该系统表现出类似自激波运动的行为，AMPS中出现大尺度层流自重构，暗示其相空间具有复杂拓扑结构。