[论文解读] Three-Level Laser Dynamics with the Atoms Pumped by Electron Bombardment

Fesseha Kassahun|arXiv (Cornell University)|May 7, 2011

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用 19

一句话总结

本文研究了在密闭腔体内通过电子轰击泵浦原子至能级顶部的三能级激光器，利用有序噪声算符建模无噪声真空 reservoir。研究发现，当激光器在阈值以下工作时，其输出光具有压缩至相干态水平以下50%的正交压缩；这种压缩是单个光子的内在属性，并在所有频率区间内保持不变。

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.

研究动机与目标

• 分析通过电子轰击在密闭腔体内泵浦的三能级激光器所产生光的量子特性。
• 在通过噪声算符的正常排序将真空 reservoir 视为无噪声的条件下，研究光子统计特性和正交压缩特性。
• 确定输出光的正交压缩是否与频率无关，并是否为单个光子的内在属性。
• 确定最大压缩发生的条件，特别是低于阈值时的情形。

提出的方法

• 将三能级激光系统中的原子建模为级联能级结构（|a⟩, |b⟩, |c⟩），其中 |a⟩↔|b⟩ 和 |b⟩↔|c⟩ 跃迁与腔模共振。
• 使用描述原子-腔相互作用的哈密顿量，通过偶极耦合跃迁，耦合常数为 g，腔模湮灭算符为 b̂。
• 应用量子朗之万方程推导腔模和原子算符的时间演化，假设泵浦速率恒定且原子与真空 reservoir 无直接相互作用。
• 将与真空 reservoir 相关的噪声算符置于正常顺序，使 reservoir 噪声消失，从而简化动力学行为。
• 采用长时间近似推导光子数和正交方差的稳态表达式。
• 计算正交涨落的谱密度，并对频率区间进行积分，以评估不同带宽下的压缩特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密闭腔体内通过电子轰击泵浦原子的三能级激光器中，正交压缩的最大程度是多少？
• RQ2 激光输出的正交压缩是否在所有频率区间内保持恒定，还是随带宽变化？
• RQ3 所观测到的压缩是否如其频率无关性所示，为单个光子的内在属性？
• RQ4 在不同泵浦速率和衰减速率下，压缩行为如何变化，特别是低于阈值时？
• RQ5 能否在密闭腔体三能级激光系统中一致地应用无噪声真空 reservoir 模型？

主要发现

• 当激光器在 γc = 4ra 条件下低于阈值工作时，激光光的最大正交压缩达到相干态水平以下50%。
• 腔内光的正交压缩在任意频率区间内均相同，表明压缩是与频率无关的、单个光子的内在属性。
• 输出光的正交压缩与腔内光相同，并在所有频率区间内保持恒定。
• 无论考虑的带宽如何，压缩程度均保持不变，这一结论通过在任意频率范围内对谱密度进行积分得到验证。
• 使用正常排序的噪声算符使真空 reservoir 实际上变为无噪声，从而能够一致地分析系统的量子动力学。
• 结果支持在电子泵浦条件下，将无噪声真空 reservoir 模型应用于密闭腔体三能级激光器在物理上是可行的。