Изменения спектра и структуры поляритонных мод лазера класса C под действием распределенной обратной связи волн

Кочаровский В.В., Мишин А.В., Кочаровская Е.Р.

Ссылка для цитирования:

Кочаровский Вл.В., Мишин А.В., Кочаровская Е.Р. Изменения спектра и структуры поляритонных мод лазера класса C под действием распределенной обратной связи волн // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 7. С. 13–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-13-24

Kocharovsky Vl.V., Mishin A.V., Kocharovskaya E.R. Changes in the spectrum and structure of polariton modes of a class C laser under the action of distributed feedback of waves [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 7. P. 13–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-13-24

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Характеристическое и дисперсионное уравнения мод лазера класса C и спектр этих мод. Цель работы. Определение зависимостей структуры поля, частот и волновых чисел мод от параметров лазера. Метод. Численное моделирование характеристического и дисперсионного уравнений лазера класса С, аналитические оценки в ряде частных случаев. Основные результаты. Проведен анализ структуры, частот и инкрементов/декрементов поляритонных мод в зависимости от коэффициента распределенной обратной связи встречных волн и уровня инверсии населенностей, создаваемого накачкой, для типичных параметров сверхизлучающего лазера с открытым комбинированным резонатором Фабри–Перо с распределенной обратной связью встречных волн, в котором время жизни фотонов меньше или порядка времени фазовой релаксации оптических дипольных колебаний активных центров. Показано, что изменение коэффициента распределенной обратной связи встречных волн позволяет эффективно управлять спектром поляритонных мод лазера, в частности, осуществлять генерацию на частотах внутри определяемой ей запрещенной фотонной зоны, из которой электромагнитные моды вытеснены. Практическая значимость. Полученные в работе результаты показывают, как изменение ряда параметров лазера отражается на спектре его мод, что необходимо для выявления возможностей управления лазерной генерацией.

Ключевые слова:

поляритонные моды, низкодобротный комбинированный резонатор, сверхизлучающий лазер, распределенная обратная связь, спектр мод, запрещенная фотонная зона

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН № FFUF-2023-0002.

Коды OCIS: 140.3430, 140.6630, 030.1670

Список источников:

1. Wu J., Ghosh S., Su R., et. al. Nonlinear parametric scattering of exciton polaritons in perovskite microcavities // Nano Lett. 2021. V. 21. № 7. P. 3120–3126. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00283

2. Engelhardt G., Cao J. Monolithic generators of pseudo-nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. № 6. P. 064205. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.064205

3. Schneider C., Rahimi-Iman A., Kim N., et al. An electrically pumped polariton laser // Nature. 2013. V. 497. P. 348–352. https://doi.org/10.1038/nature12036

4. Zhang L., Hu J., Wu J., et.al. Recent developments on polariton lasers // Progress in Quantum Electronics. 2022. V. 83. P. 100399. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2022.100399

5. Котова Л.В., Savvidis P.G., Besombes L. и др. Поляритонные моды в цилиндрическом микрорезонаторе в режим поляритонного лазера // ФТТ. 2021. Т. 63. № 5. С. 610–615. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.05.50809.001

Kotova L.V., Savvidis P.G., Besombes L., et al. polariton modes in a cylindrical microcavity in the polariton lasing regime // Phys. Solid State. 2021. V. 63. № 5. P. 722–727. https://doi.org/10.1134/S1063783421050103

6. Scheibner M., Schmidt T., Worschech L., et al. Superradiance of quantum dots // Nature Phys. 2007. V. 3. P. 106–110. https://doi.org/10.1038/nphys494

7. Jho Y.D., Wang X., Reitze D.H., et al. Cooperative recombination of electron-hole pairs in semiconductor quantum wells under quantizing magnetic fields // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 15. P. 155314. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.155314

8. Cong K., Zhang Q., Wang Y., et al. Dicke superradiance in solids [Invited] // JOSA B. 2016. V. 33. № 7. P. C80–C101. https://doi.org/10.1364/JOSAB.33.000C80

9. Vukovic N., Radovanovic J., Milanovic V., et al. Analytical expression for Risken-Nummedal-Graham-Haken instability threshold in quantum cascade lasers // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 23. P. 26911–26929. https://doi.org/10.1364/OE.24.026911

10. Zhang W., Brown E.R., Mingardi A., et al. THz superradiance from a GaAs:ErAs quantum dot array at room temperature // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 15. P. 3014. https://doi.org/10.3390/app9153014

11. Paik E.Y., Zhang L., Burg G.W., et al. Interlayer exciton laser of extended spatial coherence in atomically thin heterostructures // Nature. 2019. V. 576. P. 80–84. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1779-x

12. Pozina G., Kaliteevski M.A., Nikitina E.V., et al. Nonlinear behavior of the emission in the periodic structure of InAs monolayers embedded in a GaAs matrix: Nonlinear behavior of the emission from periodic InAs monolayers // Phys. Status Solidi B. 2016. V. 254. P. 1600402. https://doi.org/10.1002/pssb.201600402

13. Кочаровский Вл.В., Железняков В.В., Кочаровская Е.Р. и др. Сверхизлучение: принципы генерации и реализация в лазерах // УФН. 2017. Т. 187. № 4. С. 367–410. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.03.038098

Kocharovsky V.V., Zheleznyakov V.V., Kocharovskaya E.R., et al. Superradiance: The principles of generation and implementation in lasers // Phys. Usp. 2017. V. 60. № 4. P. 345–384. https://doi.org/ 10.3367/UFNe.2017.03.038098

14. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров. М.: Физматлит, 1999. 368 с.

Khanin Ya.I. Fundamentals of laser dynamics. North Holland, 2012. 407 p.

15. Кочаровский Вл.В., Кукушкин В.А., Тарасов С.В. и др. Асимметричная генерация в сверхизлучающем лазере с симметричным низкодобротным резонатором // ФТП. 2019. Т. 53. № 10. С. 1321–1328. https://doi.org/10.21883/FTP.2019.10.48284.30

Kocharovsky V.V., Kukushkin V.A., Tarasov S.V., et al. On the asymmetric generation of a superradiant laser with a symmetric low-q cavity // Semiconductors. 2019. V. 53. P. 1287–1294. https://doi.org/10.1134/S1063782619100105

16. Кочаровская Е.Р., Мишин А.В., Кочаровский Вл.В. и др. Поляритонный резонанс в автомодуляции асимметричного состояния сверхизлучающего лазера // ФТП. 2022. Т. 56. № 7. С. 651–658. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.07.52755.10

Kocharovskaya E.R., Mishin A.V., Kocharovsky Vl.V., et al. Polariton resonance in a self-modulation of an asymmetric steady-state of a superradiant laser [in Russian] // FTP. 2022. V. 56 № 7. P. 651–658. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.07.52755.10

17. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский В.В. Волны поляризации и сверхизлучение в активных средах // УФН. 1989. Т. 159. № 2. С. 193–260. https://doi.org/10.3367/UFNr.0159.198910a.0193

Zheleznyakov V.V., Kocharovskii V.V., Kocharovskii V.V. Polarization waves and super-radiance in active media // Sov. Phys. Usp. 1989. V. 32. № 4. P. 835–870. https://doi.org/10.1070/PU1989v032n10ABEH002764

18. Kavokin A., Malpuech G. Cavity polaritons. Academic Press, 2003. 246 p.

19. Лукьянов В.Н., Семенов А.Т., Шелков Н.В. и др. Лазеры с распределенной обратной связью (обзор) // Квант. электрон. 1975. Т. 2. № 11. С. 2373–2398. https://doi.org/10.1070/QE1975v005n11ABEH012115

Luk’yanov V.N., Semenov A.T., Shelkov N.V., et al. Lasers with distributed feedback (review) // Sov. J. Quantum Electron. 1975. V. 5. № 11. P. 1293–1307. https://doi.org/10.1070/QE1975v005n11ABEH012115

20. Akiba S. Encyclopedic handbook of integrated optics: Distributed feedback lasers. Boca Raton: CRC Press, 2006. 11 p.

21. Ивченко Е.Л., Поддубный А.Н. Резонансная дифракция электромагнитных волн на твердом теле (обзор) // ФТТ. 2013. Т. 55. № 5. С. 833–849.

Ivchenko E.L., Poddubny A.N. Resonant diffraction of electromagnetic waves from solids (a review) // Phys. Solid State. 2013. V. 55. № 5. P. 905–923. http://dx.doi.org/10.1134/S1063783413050120