Второй порог генерации сверхизлучающих лазеров

Ссылка для цитирования:

Кочаровская Е.Р., Кочаровский В.В. Второй порог генерации сверхизлучающих лазеров // Оптический журнал. 2026. № 8. P. 17–30. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-08-17-30

Kocharovskaya E.R., Kocharovsky V.V. The second threshold of a superradiant laser [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 8. P. 17–30. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-08-17-30

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Характеристики перехода от одномодовой стационарной к нестационарной генерации сверхизлучающего лазера при изменении параметров его резонатора и накачки. Цель работы. Исследование роли полуволновой решётки инверсии населённостей активной среды как основы нелинейной структуры поляритонной моды сверхизлучающего лазера в потере устойчивости одномодовой генерации и формировании возникающего режима нестационарной генерации. Метод. Численное моделирование и качественный анализ динамики нелинейных уравнений Максвелла–Блоха в приближении однородной двухуровневой активной среды с постоянной накачкой в комбинированном резонаторе Фабри–Перо с распределённой обратной связью встречных волн. Основные результаты. На ряде типичных примеров установлено существенное влияние самосогласованной полуволновой решётки инверсии населённостей активной среды на порог и характер перехода к нестационарной генерации сверхизлучающего лазера при изменении уровня накачки, коэффициента распределённой обратной связи, коэффициента отражения зеркал и длины резонатора. Показано, что при превышении данного, так называемого второго, порога генерация лазера оказывается квазипериодической либо со слабым (автомодуляция), либо с сильным (импульсное сверхизлучение) изменением интенсивности его излучения и инверсии населённостей активной среды, включая решётку. Практическая значимость. Полученные в работе результаты указывают на новые возможности регулирования области одномодовой генерации и управления режимом нестационарной генерации сверхизлучающего лазера за счёт изменения накачки и параметров его комбинированного резонатора.

Ключевые слова:

сверхизлучающий лазер, нелинейная поляритонная мода, полуволновая решётка инверсии населённостей, распределённая обратная связь, низкодобротный комбинированный резонатор Фабри–Перо, спектр мод, порог нестационарной генерации, одномодовая генерация, автомодуляция, коллективное спонтанное излучение

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН №FFUF-2024-0038.

Коды OCIS: 140.3430, 140.6630, 030.1670

Список источников:

1. Самсон А.М., Котомцева Л.А., Лойко Н.А. Автоколебания в лазерах. Минск: Навука i тэхнiка, 1990. 279 с.
Samson A.M., Kotomtseva L.A., Loiko N.A. Self-oscillations in lasers. Minsk: Navuka i tehnika, 1990. 279 p.
2. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров. М.: Физматлит, 1999. 368 с.
Khanin Ya.I. Prinsiples of laser dynamics (North Holland, 2012). 368 p.

3. Erneux T., Glorieux P. Laser dynamics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2010. 368 p.
4. Lugiato L., Prati F., Brambilla M. Nonlinear optical systems. Cambridge: Cambridge University Press, 2015. 464 p.
5. Кочаровский Вл.В., Железняков В.В., Кочаровская Е.Р., Кочаровский В.В. Сверхизлучение: принципы генерации и реализация в лазерах // УФН. 2017. Т. 187. № 4. С. 367–410. DOI: 10.3367/UFNr.2017.03.038098
Kocharovsky Vl.V., Zheleznyakov V.V., Kocharovskaya E.R., Kocharovsky V.V. Superradiance: the principles of generation and implementation in lasers // Phys. Usp. 2017. V. 60. № 4. P. 345–384. DOI: 10.3367/UFNr.2017.03.038098
6. Кочаровская Е.Р., Кочаровский В.В. Механизмы генерации дискретного и сплошного спектров и слабо и сильно асимметричные моды в сверхизлучающем лазере с низкодобротным комбинированным резонатором // ФТП. 2024. Т. 58. № 4. С. 210–219. DOI: 10.61011/FTP.2024.04.58546.6356H
Kocharovskaya E.R., Kocharovsky V.V. Mechanisms of discrete- and continuous-spectrum generation and weakly and strongly asymmetric modes in a superradiant laser with a low-Q combined cavity [in Russian] // FTP. 2024. V. 58. № 4. P. 202–210. DOI: 10.61011/SC.2024.04.58849.6356H
7. Botez D., Belkin M.A. Mid-infrared and terahertz quantum cascade lasers. Cambridge: Cambridge University Press, 2023. 608 p.
8. Bohnet J.G., Chen Z., Weiner J.M. et al. A steady-state superradiant laser with less than one intracavity photon // Nature. 2012. V. 484. P. 78–81. DOI: 10.1038/nature10920
9. Norcia M.A., Cline J.R.K., Muniz J.A. et al. Frequency measurements of superradiance from the strontium clock transition // Phys. Rev. X. 2018. V. 8. P. 021036. DOI: 10.1103/PhysRevX.8.021036
10. Jager S.B., Liu H., Cooper J. et al. Superradiant emission of a thermal atomic beam into an optical cavity // Phys. Rev. A. 2021. V. 104. P. 033711. DOI: 10.1103/PhysRevA.104.033711
11. Zhang L., Hu J., Wu J. et al. Recent developments on polariton lasers // Progress in Quantum Electronics. 2022. V. 83. P. 100399. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2022.100399
12. Cong K., Zhang Q., Wanget Y. al. Dicke superradiance in solids // J. Opt. Soc. Am. B. 2016. V. 33. № 7. P. C80–C101. DOI: 10.1364/JOSAB.33.000C80
13. Mansuripur T.S., Vernet C., Chevalier P. et al. Singlemode instability in standing-wave lasers: The quantum cascade laser as a self-pumped parametric oscillator // Phys. Rev. A. 2016. V. 94. P. 063807. DOI: 10.1103/PhysRevA.94.063807
14. Zhang W., Brown E. R., Mingardi A. et al. THz superradiance from a GaAs: ErAs quantum dot array at room temperature // Applied Sciences. 2019. V. 9. № 15. P. 3014. DOI: 10.3390/app9153014
15. 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. DOI: 10.1038/s41586-019-1779-x
16. Zhang Wu, Yu Chen, Hui Zhai. Emergent symmetry at superradiance transition of a Bose condensate in two crossed beam cavities // Sci. Bulletin. 2018. V. 63. № 9. P. 542–547. DOI: 10.1016/j.scib.2018.04.008
17. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. Перевод с англ. Ильиновой Т.М. и Стрижевской М.С. Под ред. Стрижевского В.Л. М.: Мир, 1978. 224 с.
Allen L., Eberly J.H. Optical resonance and two-level atoms. N.Y., London, Sydney, Toronto: Wiley-Interscience Publ., 1975. 256 p.
18. Андреев А.В. Оптическое сверхизлучение: новые идеи и новые эксперименты // УФН. 1990. Т. 160. № 12. С. 1–46. DOI: 10.3367/UFNr.0160. 199012a.0001
Andreev A.V. Optical superradiance: new ideas and new experiments // Sov. Phys. Usp. 1990. V. 33. № 12. P. 997–1020. DOI: 10.1070/ PU1990v033n12ABEH002664
19. Кочаровский Вл.В., Кочаровская Е.Р. Однонаправленная сверхизлучательная генерация в открытом активном образце // Сборник тезисов I Самарцевские чтения IWQO/ФЭКС-2023. Cветлогорск, Россия. 18–22 сентября 2023 г. С. 45–49.
Kocharovsky Vl.V., Kocharovskaya E.R. Unidirectional superradiant lasing in open sample of active medium [in Russian] // Samartsev Workshop on Quantum Optics and Photon Echo IWQO/PECS-2023 (Abstract of reports). Svetlogorsk, Russia. September 18–22, 2023. P. 45–49.
20. Vukovic N., Radovanovic J., Milanovic V., Boiko D.L. Analytical expression for Risken-Nummedal-GrahamHaken instability threshold in quantum cascade lasers // Opt. Express. 2016. V. 24. № 23. P. 26911–26929. DOI: 10.1364/OE.24.026911
21. Vukovic N., Radovanovic J., Milanovic V., Boiko D.L. Low-threshold RNGH instabilities in quantum cascade lasers // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. № 6. P. 1–16. Art no. 1200616. DOI: 10.1109/JSTQE.2017.2699139