Новости науки 13.05.01 Двухфотонные лазеры

Как известно, генерация света в привычных нам оптических лазерах осуществляется за счет вынужденного излучения: фотон, пролетая рядом с возбужденным атомом, заставляет его излучать еще один фотон, полностью когерентный с первым. Однако в атомах существуют не только однофотонные, но и двух- и многофотонные излучательные переходы. Поэтому можно представить себе такой лазер, в котором два падающих фотона (возможно, обладающие разными частотами) заставляют возбужденный атом излучать сразу два новых фотона, находящихся в когерентном состоянии с первой парой (см. Рисунок). Такой двухфотонный лазер был предложен еще на заре лазерной эры, но лишь в последние годы он был реализован и стал объектом пристального изучения.

Двухфотонный процесс вынужденного излучения

Есть несколько трудностей при конструировании двухфотонного лазера. Прежде всего, процессы излучения сразу двух фотонов очень редки (на языке науки: мало сечение таких реакций), поэтому накачка света двухфотонным механизмом идет гораздо медленнее, нежели однофотонным способом. Так что сразу возникает проблема подавления однофотонной генерации лазерного света. Далее, необходимо еще найти такую усиливающую среду, в которой двухфотонные переходы имели место и были значительны. Наконец, накачка света за счет двухфотонного механизма предъявляет особые требования и к оптическому резонатору.

Эти трудности впервые были преодолены около 10 лет назад, когда группе американских физиков удалось функционирующий двухфотонный лазер непрерывного действия в оптическом диапазоне [D.J.Gauthier et al., Phys.Rev.Lett. 68, 464 (1992)].

В этом и последующих экспериментах, в силу специфики атомных уровней, оба фотона имели одинаковую частоту. Как же тогда авторам этого эксперимента удалось показать, что они в самом деле видят двухфотонное лазерное излучение?

Характерной чертой усиления света за счет двухфотонного процесса является квадратичная (а не линейная, как в однофотонном случае) зависимость от мощности, или, что то же самое, от количества фотонов. Это сразу же привносит в систему нелинейность и кардинальным образом сказывается на пороговом поведении лазера.

Действительно, что такое порог для обычного, однофотонного лазера? Это ситуация, когда потери мощности при прохождении луча туда-обратно вдоль резонатора как раз компенсируются накачкой. В однофотонном лазере как теряемая мощность, так и мощность накачки пропорциональны мощности лазерного света, уже присутствующего внутри резонатора, и потому этот порог целиком определяется свойствами среды (плотностью инверсно населенных атомов) и не зависит от мощности гуляющего по резонатору излучения. То есть, если мы находимся в подпороговой ситуации, то излучение будет гаснуть вне зависимости от того, насколько много лазерного света было в резонаторе в первый момент времени. При условии, конечно, что мы не меняем свойства среды.

В противовес этому, в двухфотонном лазере мощность накачки пропорциональна квадрату мощности луча. Поэтому если мы находимся в подпороговой ситуации, то, "впрыснув" в резонатор достаточно лазерного света, можно выйти и в надпороговый режим. Фактически, это единственный способ зажечь луч в таком лазере.

Именно это и наблюдалось в эксперименте. В специально приготовленную среду запускался короткий импульс света, триггер. При слабом импульсе, мощность света на выходе двухфотонного лазера падала до нуля почти сразу же после прекращения действия триггера. Однако когда мощность триггера превышала критическую, сигнал на выходе стабилизировался: среда выходила на режим самогенерации света. Именно это и свидетельствовало в пользу двухфотонного механизма накачки.

Но такая чувствительность к порогу означает, что система должна вести себя очень нестабильно вблизи порога. В ранних экспериментах двухфотонный лазерный свет лишь наблюдался, но не изучался, и только недавно появилась работа [O.Pfister et al., Phys.Rev.Lett. 86, 4512 (2001)], посвященная детальному анализу его поляризационной нестабильности.

В этом эксперименте усиливающая среда могла поддерживать целых четыре механизма двухфотонной генерации света, полностью вырожденные по энергии, но отличающиеся по поляризационным свойствам излученных фотонов. Прикладывая внешнее магнитное поле, экспериментаторы могли изменять структуру атомных уровней и снимать это вырождение.

Было обнаружено, что поляризация света на выходе сильно менялась при изменении величины магнитного поля. В частности, зависимость линейной поляризации от времени с довольно регулятных биений сбивалась на хаотичные осцилляции при увеличении внешнего поля. Стоит заметить, что появление хаоса в этой системе пока не предсказывалось никакими теоретическими моделями.

Авторы этой работы указывают на еще одно возможное применение двухфотонных лазеров. В описываемом эксперименте при достаточно сильных магнитных полях генерироваться будет только одна мода излучения, со вполне определенными поляризационными свойствами. Более того, вполне конкретными поляризационными свойствами будут обладать каждый из двух фотонов, испущенных в едином акте вынужденного излучения. В результате, каждая пара фотонов будет находиться в квантово-запутанном состоянии. Таким образом, двухфотонный лазер, испускающий свет поквантово, является источником квантово-запутанных фотонов.

перейти к началу страницы