論文の概要: Quantum density matrix theory for a laser without adiabatic elimination
of the population inversion: transition to lasing in the class-B limit
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2205.13473v1
- Date: Thu, 26 May 2022 16:33:51 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-11 16:39:17.526763
- Title: Quantum density matrix theory for a laser without adiabatic elimination
of the population inversion: transition to lasing in the class-B limit
- Title（参考訳）: 集団反転の断熱的除去を伴わないレーザーの量子密度行列理論:クラスB極限におけるラシングへの遷移
- Authors: Alejandro M. Yacomotti, Zakari Denis, Alberto Biella, Cristiano Ciuti
- Abstract要約: B級量子密度行列モデルは、統一理論におけるコヒーレンスと光子相関を正確に記述することができない。
ここでは、一般クラスBレーザーに対する密度行列の理論的アプローチを行い、光子のフォック基底におけるフォトニックおよび原子還元密度行列の閉方程式を提供する。
このモデルは、クラスBレーザーデバイスにおける数光子分岐と非古典光子相関の研究を可能にし、コヒーレント結合ナノレーザーアレイの量子記述を活用する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 62.997667081978825
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Despite the enormous technological interest in micro and nanolasers,
surprisingly, no class-B quantum density-matrix model is available to date,
capable of accurately describing coherence and photon correlations within a
unified theory. In class-B lasers $-$applicable for most solid-state lasers at
room temperature$-$, the macroscopic polarization decay rate is larger than the
cavity damping rate which, in turn, exceeds the upper level population decay
rate. Here we carry out a density-matrix theoretical approach for generic
class-B lasers, and provide closed equations for the photonic and atomic
reduced density matrix in the Fock basis of photons. Such a relatively simple
model can be numerically integrated in a straightforward way, and exhibits all
the expected phenomena, from one-atom photon antibunching, to the well-known
S-shaped input-output laser emission and super-Poissonian autocorrelation for
many atoms ($1\leq g^{(2)}(0)\leq 2$), and from few photons (large spontaneous
emission factors, $\beta\sim1$) to the thermodynamic limit ($N\gg1$ and
$\beta\sim 0$). Based on the analysis of $g^{(2)}(\tau)$, we conclude that
super-Poissonian fluctuations are clearly related to relaxation oscillations in
the photon number. We predict a strong damping of relaxation oscillations with
an atom number as small as $N\sim 10$. This model enables the study of
few-photon bifurcations and non-classical photon correlations in class-B laser
devices, also leveraging quantum descriptions of coherently coupled nanolaser
arrays.
- Abstract（参考訳）: マイクロレーザーやナノレーザーに対する技術的な関心にもかかわらず、驚くべきことにクラスbの量子密度行列モデルは存在せず、統一理論の中でコヒーレンスと光子相関を正確に記述することができる。
クラスbレーザーでは、室温$-$のほとんどの固体レーザーに対して$-$が適用可能であり、マクロ偏光減衰速度はキャビティ減衰速度よりも大きく、結果として上層層の人口減少速度を超える。
ここでは、一般クラスBレーザーに対する密度行列の理論的アプローチを行い、フォック基底におけるフォトニックおよび原子還元密度行列の閉方程式を提供する。
このような比較的単純なモデルは、単純な方法で数値的に積分することができ、一原子の光子の反バンチング、よく知られたS字型の入出力レーザー放出、多くの原子に対する超ポアソニアン自己相関(1\leq g^{(2)}(0)\leq 2$)、少数の光子(大きな自発放出因子、$\beta\sim1$)から熱力学的極限($N\gg1$および$\beta\sim 0$)まで、全ての現象を示す。
g^{(2)}(\tau)$の解析に基づいて、超ポアソニアンゆらぎは光子数における緩和振動と明確に関連していると結論付ける。
我々は、原子番号が$n\sim 10$の小さい緩和振動の強い減衰を予測する。
このモデルは、クラスBレーザーデバイスにおける数光子分岐と非古典光子相関の研究を可能にし、コヒーレント結合ナノレーザーアレイの量子記述を活用する。
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