автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Модовое сверхизлучение в открытых резонаторах и экстремальные режимы генерации электромагнитных полей ансамблями квантовых и классических осцилляторов



"• - ri д X РЪГСЯМ

! Президиум 1 ~ ~ '

« „ 2tt К

il • от —— —---------- , ^-r/-?.»» <% -

•!) , f fia правах рукописи

^-^ЯедОВОЁ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ В ОТКРЫТЫХ РЕЗОНАТОРАХ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ АНСАМБЛЯМИ ЬСВАНТОВЫХ И КЛАССИЧЕСКИХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ

05.27.03 - квантовая электроника

Д и с сер т а ц и я.„

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в виде научного доклада

Нижний Новгород - 1998

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук .

РОССИЙСКАЯ Л. па Г>

Г0С,УДа,:СТ8^АЯПРОфеСѰРН

БИБЛИОТЕКА

доктор физико-математических наук 1 0 ^ -^профессор Е. Д. Трифонов

доктор физико-математических наук М профессор Г. И. Фрейдман

Ведущая организация:

Институт физики микроструктур РАН ( г. Н.Новгород )

Зашита состоится '"22' июня г тационного совет? ; >

РАН (603600, г. I

С диссертацией \ ) ' прикладной физи?>: •

Н.'ОО на заседании диссер-уте прикладной физики •'п.Ульянова, 46)

■ Же Института

Диссертация в вь„ разослана "22" мая '

Ученый секретарь диссертац д. ф. - м. н., профессор

Т-

Ю. В. Чугунов

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И

1. Особенности самовозбуждения горячих поляритонных мод и модовое сверхизлучение в низкодобротном резонаторе 12

2. Нелинейная динамика сверхизлучения и эффекты пространственной неоднородности поля и инверсии двухуровневой среды в протяженном образце 21

3. Поляритонный механизм конденсации спектра генерации широкополосного лазера вблизи линии поглощения 25

4. Абсолютная неустойчивость длинноволновых возбуждений и оптическая нутация в условиях плазменно-дипольного резонанса 30

5. Генерация встречных разночастотных импульсов вытянутым образцом двухуровневой среды, движущимся в условиях аномального эффекта Доплера 33

6. Циклотронное сверхизлучение электронов в магнитной ловушке. Одномодовая генерация и "эстафета мод" 35

7. Взрывное усиление электромагнитного поля в замагничен-ном потоке ускоренных электронов-осцилляторов 38

8. Модовое сверхизлучение в открытом образце полупроводника, помещенном в квантующее магнитное поле 41

9. Сверхизлучение при постоянной накачке и генерация фемтосекундных импульсов в полупроводниковых Лазерах с квантовыми ямами и точками 43

лючение 47

'ТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 49

> ШСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 55

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение, актуальность темы диссертации

Эффект сверхизлучения (СИ), т.е. коллективного спонтанного излучения, возникающего в плотных ансамблях предварительно инвертированных молекул, хорошо известен в квантовой электронике и оптике [*1-*6], [1-6], а после работ [*6-*11], [3-11] он представляется неотъемлемым элементом и общей электродинамики сплошных активных сред. Однако надежды на его использование в качестве основы новых мощных источников ультракоротких импульсов пока не оправданы, как из-за технических трудностей его практической реализации, так и вследствие отсутствия детального теоретического анализа оптимальных схем и предельных возможностей СИ в различных физических ситуациях.

В этом отношении особый интерес предствляет генерация так называемых "горячих" мод в низкодобротных резонаторах, заполненных активной средой, удовлетворяющей условиям СИ, и обеспечивающих вполне свободный выход импульсов излучения. Последовательное изучение такого модового СИ на линейной стадии было начато в работе [1] для инвертированной двухуровневой среды на примере цилиндрического и сферического образцов, а затем продолжено на нелинейную стадию и для других активных сред, в том числе частично ионизованного инвертированного газа в условиях плазменно-дипольного резонанса, ансамбля циклотронных осцилляторов в замагниченном электронном пучке и системы вырожденных электрон-дырочных пар в полупроводнике. Обзор соответствующих работ, составляющих -основу настоящей диссертации и, в частности, учитывающих распространение, перепоглощение и отражение излучения в распределенных образцах, дан в [3,4,6,12,13]. Следует отметить, что интерес к роли отражений и формированию сфазированных встречных волн в процессе СИ возник давно [*2,*12-*17] и в 80-е годы усилился начавшимися экспериментами по коллективному спонтанному излучению в резонаторах и волноводах [*2,*15-*19], а также в примесных кристаллах [*20-*23]. Впрочем, в то время он имел фраг-

ментарный, оценочный характер, и только в последние годы отношение к явлению модового СИ стало серьезным, а его теория активно развивается [*3-*5,*24-*28].

В соответствии с традициями нижегородской радиофизической школы в диссертацию включены также (а) сравнительный анализ колебательно-волновых особенностей процессов, сопровождающих СИ в различных физических системах, (б) качественное описание характерных аналогий между рассматриваемыми когерентными явлениями типа СИ в разных средах и (в) количественные оценки ожидаемых параметров импульсного излучения в некоторых перспективных схемах генерации. Согласно проведенным исследованиям, практические возможности осуществления модового СИ выглядят весьма оптимистическими и во всяком случае далеко не исчерпанными имеющимися экспериментами [*15-*23,*'29-*32]. На первое место по простоте, доступности и прикладному значению следует поставить возможность создания сверхизлу чающего фемтосекундного полупроводникового лазера на гетероструктурах с квантовыми ямами или слоями квантовых точек [10, 14-18]. Вместе с тем, циклотронное СИ в "сверхсветовом" пучке электронов, движущихся вдоль магнитного поля в замедляющей электродинамической системе, служит первым, простейшим классическим аналогом СИ Дике и показывает возможность переноса методов с.верхизлучательной генерации из квантовой электроники в классическую [2-4,7,13]. Все изложенное вместе с рядом новых явлений, имеющих непос/Средственное отношение к коллективным эффектам генерации и предсказанных в диссертации, говорит о ее актуальности.

С точки зрения стандартной квантовой электроники и физики лазеров явление модового СИ отвечает уникальному случаю лазеров класса Б [6] (согласно [*33], добавление класса О к известным классам А,В и С [*34] естественно из соображений полноты классификации). Режим работы традиционных лазеров класса А и В является слабо когерентным из-за сильной релаксации поляризации активной среды, превышающей релаксацию поля в резонаторе, и подчиняется балансным (скоростным)

уравнениям, в которых только электромагнитное поле и - для класса В - населенности энергетических уровней обладают собственной пространственно-временной динамикой. К классу В относятся, например, полупроводниковые лазеры [*35-*37]. В более редких лазерах класса С, в основном молекулярных, газовых с высокой степенью инверсии, когерентная динамика поляризации выражена ярче,, так как время релаксации последней Т\ порядка времени затухания поля Те, - и для описания их работы необходимо использовать полную систему уравнений Максвелла - Блоха [*1,*33,*34,*38-*40]. Однако только в лазерах класса Б, где релаксация поляризации Т^1 (и разности населенностей рабочего перехода активной среды Т^1) мала по сравнению с релаксацией поля Т^1, сверхизлучательные явления играют ведущую роль и достижимо оптимальное согласование когерентной динамики среды с предельно быстрым выводом излучения из резонатора.

Именно в лазерах класса О, которые фактически работают далеко за порогом возбуждения и не могут быть квазистационарными, следует ожидать экстремальных режимов генерации, ведущих - в зависимости от накачки - к излучению как отдельных импульсов СИ, так и квазихаотических или квазипериодических цугов таких импульсов [3-6, 10, 12, 13, 16, 18, 19]. Здесь, в отличие от лазеров класса А и В, действие накачки имеет более сложный, интегральный характер и математическое описание генерации не сводится к простым устойчивым предельным циклам, а в значительной степени определяется неустойчивыми траекториями. Дело в том, что при коллективном спонтанном излучении каждого последующего импульса велика роль неконтролируемых возмущений и когерентных флуктуаций поля и поляризации, оставляемых предшествующим импульсом и экспоненциально усиливаемых в условиях слабой релаксации среды.

Несмотря на то что в очерченном круге задач остается еще немало интересных вопросов, результаты, полученные автором в данном цикле теоретических исследований [1-50] и представленные в диссертации, свидетельствуют о становлении нового научного направления - физики модового СИ и экстремальных

режимов импульсной генерации в лазерах класса О. При этом в диссертации акцент сделан на физических аспектах явления СИ и связанных с ним когерентных процессов, а прикладная сторона проблемы и детальное сравнение с известными режимами экстремальных пульсаций в лазерах класса А, В и С [*33-*40] опущены.

Цели диссертационной работы:

выяснение физических особенностей и последовательный анализ явления модового СИ в низкодобротных резонаторах, установление оптимальных условий и предельных возможностей сверхизлучательной генерации соответствующих лазеров класса Э, использующих различные ансамбли квантовых и классических осцилляторов, а также исследование свойств ряда когерентных явлений, по своей природе близких к СИ в этих ансамблях.

Научная новизна работы

Предсказаны, основные свойства коллективного спонтанного излучения ансамблей осцилляторов в открытых резонаторах и установлены преимущества генерации импульсов за счет соответствующего модового СИ по сравнению с однонаправленным.

Показано, что именно в рассматриваемых лазерах класса Б генерируемые импульсы становятся предельно короткими (и мощными) в том смысле, что их длительность определяется исключительно геометрическими размерами резонатора И внутренними динамическими свойствами среды - когерентным взаимо-т, действием осцилляторов посредством самосогласованного поля.

В различных физйческих условиях^! для различных ансамблей осцилляторов впервые проведены количественные оценки параметров модового СИ и построена его нелинейная теория. Наиболее детально динамика СИ (одноимпульсного и осцилляторного) исследована для цилиндрических образцов в низкодобротных резонаторах Фабри-Перо. Найдены также структура и спектр неустойчивых поляритбнных мод, функция Грина и профиль импульса СИ в кольцевом лазере класса О с обратной связью.

При изучении когерентных явлений и экстремальных режимов генерации, подобных СИ Дике, предсказаны, в частности, из-лучательный (диссипативный) механизм неустойчивости полярй-тонных мод в открытом резонаторе, одновременное высвечивание импульсов СИ, запускаемого квантовыми шумами, из противоположных торцов цилиндрического образца благодаря малым отражениям (превышающим определенную критическую величину и возможным даже на скачке показателя преломления самой активной среды), аномальное возрастание СИ и сверхизлучатель-ного комбинационного рассеяния света вследствие смены некогерентного процесса суперлюминесценции когерентной генерацией поляритонных мод, параметрическая неустойчивость спаренных поляритонных мод и поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера вблизи узкой линии поглощения, параметрическая самосинхронизация электромагнитных мод в длинном волоконном лазере, эффективная безрезонаторная генерация длинноволновых возбуждений поля и поляризации в условиях плазменно-дипольного резонанса, поочередная генерация встречных импульсов СИ на нормальном и аномальном эффектах Доплера в движущемся образце двухуровневой среды, циклотронное СИ в прямолинейном потоке электронов, движущихся со "сверхсветовой" скоростью вдоль магнитного поля, эффект взрывного усиления электромагнитного поля в замагниченном пучке ускоренных электронов-осцилляторов, СИ мод однородного образца прямозонного полупроводника при кооперативной рекомбинации квантованных электронов и дырок с основного уровня Ландау, сверхизлучательная генерация фемтосекундных импульсов в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами и квантовыми точками, возможность естественной генерации импульсов модо-вого СИ в лазерах класса В с постоянной накачкой.

Проведенный теоретический ¡анализ преимуществ использования низкодобротных резонаторов для сверхизлучательной генерации мощных ультракоротких импульсов представляется актуальным потому, в частности, что соответствующие систематические экспериментальные исследования во многом только

начинаются. Особого внимания они заслуживают в рентгеновском диапазоне, где создание высокодобротных резонаторов и получение обычной лазерной генерации практически не реально.

Научное и практическое значение работы

Научное значение полученных результатов с общефизической точки зрения определяется плодотворным совмещением представлений электродинамики сплошных активных сред, с одной стороны, и методов физики лазеров и мазеров, с другой стороны, при разработке нового перспективного направления квантовой электроники - динамики импульсных лазеров класса Б и когерентной нелинейной электродинамики коллективных эффектов, аналогичных или связанных с СИ Дике. Первые, предварительные эксперименты, касающиеся модового СИ, ставились еще в 80-х годах [*15-*23], и предлагаемая теория в значительной мере объясняет их. Согласно ей, переход к сверхизлучательному режиму работы, характерному для лазеров класса Б, укорачивает длительность и увеличивает мощность импульсов при одновременной миниатюризации самих генераторов. Грубо говоря, введение даже плохих зеркал в условиях большого коэффициента усиления при сохранении максимальной когерентности поля и поляризации в среде эффективно удлиняет образец, значительно ослабляя требования к размерам активной среды и мощности накачки.

Найденные оптимальные коэффициент отражения зеркал и длина резонатора, отвечающие границе между одноимпульсным и осцилляторным режимами, указывают путь к достижению предельной эффективности СИ и получению импульсов наибольшей интенсивности и наименьшей длительности. Для практических приложений важно, что импульсная генерация, аналогичная мо-довому СИ, возникает и при непрерывной накачке. Это продемонстрировано на примере существования незатухающих разрывных колебаний в конкретной модели низкодобротного полупроводникового лазера с квантовыми ямами (принципиальная возможность подобных колебаний в физике лазеров обсуждается давно [*39,*40]). С точки зрения спектрального анализа получаемых

импульсов существенно также, что сильное спектральное перекрытие и различие инкрементов мод, генерируемых в открытом образце, в значительной степени подавляет их биения и соответствующие осцилляции многомодового СИ в лазерах класса О (в согласии с экспериментами [*17,*19,*29]).

Важным обстоятельством при построении реальных схем мо-дового СИ является то, что его основной импульс при старте с квантовых флуктуаций по существу обусловлен генерацией одной, наиболее неустойчивой моды. Для интерпретации экспериментальных данных особую ценность представляют установленная последовательность смены режимов СИ при увеличении отражений на торцах открытого образца и выявленные особенности конкуренции однонаправленного и модового СИ. Переход к более плотным образцам, желательный для достижения СИ с большей мощностью, и соответствующее неизбежное увеличение разброса собственных частот осцилляторов, препятствующее СИ, например, при попытках его реализации в полупроводниковых лазерах [*32], делает актуальной высказанную в диссертации идею о возможности ограниченного СИ отдельных (изолированных) мод и обусловленной им спектрально-временной корреляции генерируемых встречных импульсов для открытых образцов двухуровневой среды с доминирующим неоднородным уширением, исключающим однонаправленное СИ. Наконец, тенденция к миниатюризации сверхизлучательных генераторов подчеркивает значимость сформулированных условий на прозрачность зеркал и длину резонатора лазера класса В, позволяющих использовать переотражение встречных волн на самосогласованных нелинейных неодно-родностях показателя преломления активных осцилляторов внутри образца и на его границах. Найденный интегральный коэффициент брэгговской связи встречных волн на образуемый ими А/2-решетке инверсии показывает, что для типичных проведенных экспериментов по СИ в протяженных образцах она не может обеспечить эффективную синхронизацию встречных импульсов.

Обнаруженный поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера класса А вблизи линии поглощения, сопрово-

ждающийся параметрической неустойчивостью и захватом частоты биений спа�