НИЗКОПОРОГОВЫЙ ПОЛЯРИТОННЫЙ ИСТОЧНИК КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к источникам неклассического оптического излучения, обладающим низким порогом генерации. Может также найти свое применение в сфере квантовой передачи и обработки информации, квантовой криптографии.
В той же области техники, что и полезная модель, для получения низкоинтенсивного света, используются обычные устройства, работающие на принципе вынужденного излучения - лазеры, совместно с ослабляющими интенсивность фильтрами [подробно принцип действия описан, например, в Svelto О. Principles of lasers, 5th edition // New York: Springer, 2010 - 622 p.]. Этот способ является энергетически неэффективным. Принцип получения низкопорогового излучения, заложенный в полезной модели, лишен подобных недостатков.
Аналогом предлагаемой модели является излучатель на оптических столкновениях, устройство и принцип действия которого описаны в статье Р.В.Марков, А.И.Плеханов, A.M.Шалагин Инверсия заселенностей на переходах в основное состояние атомов при нерезонансном поглощении лазерного излучения // ЖЭТФ. - 2001. - Т.120. - Вып.5(11). - с.1185-1193. В конструкции устройства отсутствует резонатор, вследствие чего оно не может работать в режиме генерации. К тому же, такой источник обладает теми же недостатками, что и обычные лазеры, т.е. наличием порога генерации.
Другим близким по конструкции и принципу действия устройством является установка, предназначенная для термализации атомно-оптических состояний в микроволноводе [см. U. Vogl, A. Saβ, F. Vewinger et al. Light confinement by a cylindrical metallic waveguide in a dense buffer-gas environment // Physical review A. - 2011. - Vol.83. - P.053403]. Волновод выполнен в форме цилиндра, что исключает возможность осуществления фазового перехода второго рода для поляритонов нижней дисперсионной ветви и, следовательно, делает невозможным низкопороговую генерацию в таком устройстве.
Наиболее близким аналогом является полупроводниковый (на структуре GaAs) поляритонный светодиод, обладающий низким порогом генерации, о разработке которого сообщается в статье S.I.Tsintzos et al. A GaAs polariton light-emitting diode operating near room temperature // Nature. - 2008. - Vol.453. - pp.372-375. Устройство принято за прототип. Диод обладает резонатором, выполненным в виде двух плоских распределенных брэгговских отражателей. Полупроводниковая среда при нормальных (комнатных) температурах характеризуется коротким временем жизни возбуждений (экситонов), что препятствует формированию поляритонных состояний и делает функционирование устройства невозможным. В результате работа устройства возможна только при низких (235 К) температурах, что требует использования охлаждающих систем и усложняет эксплуатацию.
Целью является увеличение времени жизни поляритонных состояний при комнатных или более высоких температурах, что расширяет температурный режим эксплуатации устройства.
Поставленная цель достигается тем, что резонатор, выполненный в форме двух полых усеченных металлических конусов, соединенных большими основаниями, заполнен смесью паров щелочного металла и инертного газа.
На чертеже схематично представлена конструкция предлагаемого устройства, состоящего из резонатора, выполненного из полых конусов 1 и 2, который заполняется смесью паров щелочного металла и атомов буферного газа.
Существенным признаком, достаточным для достижения технического результата, а именно получения когерентного излучения, является использование в качестве среды атомного газа, характеризующегося существенно большим (на два-три порядка) временем жизни возбуждения в сравнении с полупроводниковой средой прототипа даже при комнатных температурах. В качестве активных атомов в полезной модели используются атомы щелочных металлов (например, рубидия). Высокое давление (сотни атмосфер) буферного газа внутри резонатора необходимо для достижения системой связанных атомно-оптических состояний термодинамического равновесия за время, меньшее времени жизни атомного возмущения. Возможность осуществления такого процесса на примере атомов рубидия в атмосфере аргона при давлении 400 атм. и температуре 530 К была доказана авторами полезной модели в работе Chestnov I.Yu. Alodjants A.P. Arakelian S.M. et al. Thermalization of coupled atom-light states in the presence of optical collisions // Physical Review A. - 2010. - Vol.81. - P.053843. Таким образом, в системе происходит термализация, которая является необходимым условием осуществления фазового перехода второго рода типа бозе-конденсации или перехода к сверхтекучему состоянию.
0
Вторым существенным признаком является наличие металлического резонатора, выполненного в виде биконического волновода (см. чертеж). Форма резонатора определяет статистические характеристики газа поляритонов (в частности, критическую температура фазового перехода) и обуславливает достижение системой конденсированного и сверхтекучего состояний при высоких температурах. Биконическая геометрия резонатора обеспечивает эффективное удержание фотонов, что увеличивает время жизни связанных атомно-оптических состояний (поляритонов) и способствует эффективной термализации. Кроме того, резонатор такой формы обеспечивает наличие удерживающего потенциала для поляритонов, что является обязательным условием для достижения истинной бозе-эйнштейновской конденсации. Размеры резонатора (максимальный радиус поперечного сечения) определяют энергию основного состояния, в котором образуется конденсат поляритонных квазичастиц, и, следовательно, длину волны излучения, на которой работает источник. Фактически, при этом длина волны l»2.61R, то есть радиус волновода имеет субмикрометровый размер для устройств, работающих в оптическом диапазоне.
Изготовление волноводов подобных размеров и формы возможно методами ионного травления или лазерной прошивкой конических отверстий в металлических листах с последующим соединением этих листов основаниями конусов друг к другу. В качестве материалов используются металлы с высоким коэффициентом отражения, например, медь. Также известны примеры изготовления подобных волноводов путем скручивания металлических слоистых мембран нанометровой толщины [Y. Mei, G.Huang, A.A.Solovev et al. Versatile approach for integrative and functionalized tubes by strain engineering of nanomembranes on polymers // Advanced Materials. - 2008. - Vol.20. - Issue 21. - pp.4085-4090].
Зависимость радиуса от продольной координаты z в общем случае имеет вид , где
-1
h определяет степень кривизны волновода вдоль продольной координаты z (типичное значение h: 0.0005 мкм);
n - число, играющее роль степени потенциала удержания поляритонов внутри резонатор (оптимальное значение n=1, при котором форма резонатора максимально точно соответствует строгой биконической, изображенной на чертеже).
Устройство функционирует следующим образом. Волновод, наполненный атомной средой, с торца облучается лазерным излучением 3, частота которого близка к частоте отсечки фундаментальной моды и частоте атомного перехода. Образованные в результате атомно-оптического взаимодействия связанные состояния быстро термализуются за счет частых оптических столкновений с частицами буферного газа, благодаря чему в системе формируется бозе-конденсат атомных поляритонов. Такой конденсат спонтанным образом излучает фотоны, обладающие одинаковой фазой и волновым вектором, т.е. излучение источника является когерентным.
При облучении системы излучением так, как это показано на чертеже, внутри волновода образуются связанные состояния возбужденных атомов и фотонов света - поляритонные квазичастицы. В результате многократного отражения фотонов от металлических стенок время жизни поляритонов существенно увеличивается. За счет процессов оптических столкновений, когда в акте столкновения атом поглощает или испускает нерезонансный квант энергии, связанные состояния достигают термодинамического равновесия быстрее, чем эти состояния успевают спонтанным образом разрушиться. Возможность осуществления такого процесса на примере атомов рубидия в атмосфере аргона при давлении 400 атм. и температуре 530 К была доказана авторами полезной модели в работе Chestnov I.Yu. Alodjants A.P. Arakelian S.M. et al. Thermalization of coupled atom-light states in the presence of optical collisions // Physical Review A. - 2010. - Vol.81. - P.053843. При отрицательных атомно-оптических отстройках от резонанса сопоставимых или больших тепловой энергии атомов, процессы столкновения атомов с частицами буферного газа и испусканием (поглощением) фотона становятся коррелированными. При достижении определенного критического значения частоты внешнего поля в равновесной системе связанных атомно-оптических состояний осуществляется фазовый переход в сверхизлучательное состояние для фотонов в резонаторе, которое обусловлено формированием сверхтекучих состояний фотоноподобных поляритонов нижней дисперсионной ветви, характеризующихся ненулевым значением параметра порядка. Данное явление принципиально отличается от рассмотренного в статье «А.М.Шалагин. Соотношение между спектральными плотностями коэффициентов Эйнштейна для поглощения и вынужденного испускания. Физические следствия // Письма в ЖЭТФ. - 2002. - Т.75. - Вып.6. - С.301-305» эффекта генерации при положительных атомно-оптических отстройках, когда термализация может быть достигнута только при бесконечно большом значении отстройки и частоты Раби (интенсивности излучения накачки). При конечных значениях частоты Раби любое изменение атомно-оптической отстройки позволяет создать инверсию населенностей в двухуровневой среде, и осуществить неравновесный переход к лазерной генерации.
Образование сверхтекучего состояния слабо взаимодействующих поляритонов и, как следствие, получение когерентного излучения требует значительно меньше затрат энергии, чем создание инверсии населенностей и преодоления порога генерации в обычных лазерах, которые повсеместно используются в качестве источника когерентного света. Таким образом, полезная модель отличается от устройств, в основе работы которых лежит принцип стимулированного излучения, значительно более низким порогом генерации. В результате интенсивность излучения такого устройства будет низкой, а само излучение будет обладать существенно квантовыми свойствами, проявляющимися именно при малом числе фотонов.
Для рассматриваемой нами модели когерентность обеспечивается сверхтекучим (конденсированным) состоянием поляритонов в нижнем энергетическом состоянии, совпадающем с частотой отсечки фундаментальной моды волновода, когерентных фотоноподобных поляритонов, обладающих одинаковой энергией и волновым вектором. Бозе-конденсат спонтанным образом излучает фотоны на частоте, равной частоте отсечки. За счет этого излучение источника может быть отделено от фотонов накачки частотным фильтром.