Низкопороговый поляритонный источник когерентного излучения
Полезная модель функционирует на уникальном принципе получения электромагнитного излучения, основанном на способности поляритонных квазичастиц образовывать макроскопическое когерентное (сверхтекучее) состояние - бозе-конденсат. Особенности образования конденсированного состояния обуславливают понижение порога генерации в таком устройстве относительно лазерных источников, что означает его высокую энергоэкономичность. К области потенциального применения полезной модели относится сфера квантовой обработки информации и квантовой криптографии, где оказываются востребованными источники слабоинтенсивного света с неклассической статистикой фотонов. Современный уровень техники позволяет изготовить резонатор - основной узел устройства - с высокой точностью.
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. Sa
, 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.
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 0, 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
h определяет степень кривизны волновода вдоль продольной координаты z (типичное значение h: 0.0005 мкм -1);
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.
Низкопороговый поляритонный источник когерентного излучения, включающий резонатор, отличающийся тем, что резонатор, выполненный в форме двух полых усеченных металлических конусов, соединенных большими основаниями, наполнен смесью паров щелочного металла и инертного газа.
