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Department of Physics & Astronomy

[오승훈 박사-안경원 교수] 초방사 레이저의 문턱없는 결맞음 입증 (Light: Science & Applications지 게재)

2024-09-06l 조회수 540

레이징 문턱이란 레이저 발진이 일어나기위한 최소의 펌핑 파워를 말한다. 통상적인 레이저에서는 레이저 문턱에서 공진기 안의 평균 광자수가 1 정도 됨이 알려져 있다. 레이저를 매우 작게 만들어서 이러한 레이징 문턱을 사라지게 하려는 노력이 많이 이루어졌다. 그러나 최근 연구결과에 따르면 레이징 문턱이 거의 사라지는 경우, 즉 문턱없는 레이저에서도 공진기 안의 평균 광자수가 1보다 작게되면 출력광의 성질이 열광원과 유사해 진다. 이러한 결과는 문턱없는 레이저를 통해 출력의 세기에 상관없이 항상 결맞은 빛을 얻는 것이 어려움을 의미한다.
본 연구에서는 동일한 양자중첩상태로 펌핑 된 이준위 원자를 매질로 하는 초방사 레이저에 레이징 문턱이 사라짐과 동시에 공진기 안 광자수의 크기에 관계없이 항상 결맞은 빛을 발생시킬 수 있었다. 이준위 원자들은 하나씩 고품위 공진기 모드를 가로 지르면서 초방사를 일으켰다. 공진기 안 평균 광자수가 1 근처에서 레이징 문턱은 보이지 않았고 광자수가 1보다 무척 작아도 결맞은 빛이 발생되었음을 출력광의 제2차 상관함수 측정을 통해 밝혔다. 우리의 결과는 향후 양자점, NV 센터, 이온원자가 도핑된 고체 등을 활용하는 실용적이 초방사 레이저의 길을 제시한다.
 
Lasing threshold in the conventional lasers is the minimum input power required to initiate laser oscillation. It has been widely accepted that the conventional laser threshold occurring around a unity intracavity photon number can be eliminated in the input-output curve by making the so-called β parameter approach unity. The recent experiments, however, have revealed that even in this case the photon statistics still undergo a transition from coherent to thermal statistics when the intracavity mean photon number is decreased below unity. Since the coherent output is only available above the diminished threshold, the long-sought promise of thresholdless lasers to produce always coherent light has become questionable.
Here, we present an always-coherent thresholdless laser based on superradiance by two-level atoms in a quantum superposition state with the same phase traversing a high-Q cavity. Superradiant lasing was observed without the conventional lasing threshold around the unity photon number and the photon statistics remained near coherent even below it. The coherence was improved by reducing the coupling constant as well as the excited-state amplitude in the superposition state. Our results pave a way toward always-coherent thresholdless lasers with more practical media such as quantum dots, nitrogen-vacancy centers and doped ions in crystals.
 
논문명: Thresholdless coherence in a superradiant laser
저자: 오승훈, 김진욱, 하준서, 손기범, 안경원