[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究在室温（300K）和77K下，于标准掺铒光纤中实现了玻色-爱因斯坦光子热化及无反转激光，尽管品质因数低、损耗高且发射捕获率小。实验观察到热平衡与无反转激光共存，且理论分析基于速率方程，挑战了激光领域的两项长期公认原理。

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.

研究动机与目标

• 研究光子是否能在低品质因数、高损耗、一维掺铒光纤腔中实现玻色-爱因斯坦分布与热平衡。
• 在常温条件下，检验标准掺铒光纤中无反转激光与热平衡共存的可能性。
• 挑战光子系统中无反转激光与热平衡共存的传统激光公理。
• 通过适用于开放、损耗性光纤腔的理论速率方程模型，验证实验观测结果。

提出的方法

• 在室温（300K）和77K下，测量1550 nm波段、200 nm带宽内掺铒光纤腔中的光子分布。
• 采用低品质因数、米级长、开放的光纤腔，其具有高传播损耗和较小的自发发射捕获率。
• 应用速率方程建模光子动力学，包括受激辐射、自发辐射和损耗过程。
• 将实测光子谱与玻色-爱因斯坦分布及热平衡的理论预测进行比较。
• 分析光谱特征，以区分无反转激光与热平衡区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温和77K下，标准掺铒光纤腔中的光子能否实现玻色-爱因斯坦分布？
• RQ2 在系统同时处于热平衡状态时，无反转激光是否可能实现？
• RQ3 在低品质因数、高损耗、一维光纤腔中，且发射捕获率较小时，热化是否可能发生？
• RQ4 速率方程在多大程度上能准确描述此类开放、损耗性系统中的光子行为？

主要发现

• 在300K和77K下，掺铒光纤中的光子在200 nm带宽内表现出玻色-爱因斯坦分布，表明已实现热化。
• 无反转激光与热平衡在同一光纤腔中共存，挑战了二者互斥的传统假设。
• 热平衡在开放、低品质因数、高损耗光纤腔中得以实现，违背了对这类系统的预期。
• 实验结果得到速率方程模型的定量支持，该模型考虑了自发辐射、受激辐射和损耗。