Spectral properties of a superradiant laser with injected atomic coherence = 원자 코히런스가 주입된 초방사 레이저의 스펙트럼 측정

국문 초록 (Abstract)

초방사 레이저는 빛의 위상 결맞음을 공진기 내부의 광자가 아닌 원자 내에 저장함으로써 매우 안정적인 광 출력을 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 최근 양자 중첩 상태로 위상이 정렬된 원자들을 높은 품질 인자를 가진 광 공진기와 상호작용하게 하여 연속파 초방사를 구현한 바 있다. 이러한 방식의 초방사 레이저는 레이저 발진 문턱이 없으며, 공진기 내부의 광자 수가 1개 미만의 매우 적은 상황에서도 높은 결맞음을 가지는 광자 통계를 보였다. 본 연구에서는 펌프 레이저로 원자에 위상을 각인하여 원자 결맞음을 주입한 초방사 레이저의 스펙트럼 특성을 연구하였다. 방출되는 빛의 위상은 원자 쌍극자의 위상 기억에 의해 결정되는데, 이 위상은 다시 펌프 레이저의 위상으로부터 결정된다. 이러한 특징을 활용하여 초방사 현상을 기반으로 한 광학 주파수 합성기의 개념 증명 실험을 수행하였다. 실험 결과, 초방사 레이저의 주파수가 공진기 진동, 광자 수 변동, 도플러 효과에 의한 주파수 퍼짐 등의 여러 잡음 요소가 있는 상황에서도 펌프 레이저의 주파수를 매우 안정적으로 따라가는 것을 확인하였다. 또한 펌프 레이저의 위상 잡음이 증가함에 따라 결맞음의 저장소가 원자 쌍극자에서 공진기 내부 광자로 옮겨가는 현상을 관찰하였으며, 이는 방출된 빛의 선폭이 펌프 레이저 본래의 선폭으로부터 공진기의 선폭으로 점차 증가하는 결과로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Superradiant lasers promise ultrastable optical emission by storing phase coherence in atoms rather than cavity photons. Recently, continuous-wave superradiance was demonstrated using phase-aligned atoms prepared by quantum superposition state interact with a high-Q cavity, exhibiting thresholdless operation and near-coherent photon statistics even below unity intracavity photon number. Here, we report the spectral characterization of a superradiant laser with injected atomic coherence by pump laser phase imprinting. Exploiting the fact that the emitted light phase is set by the atomic dipole phase memory, which in turn is set by the pump laser, we demonstrate a proof-of-principle optical frequency synthesizer based on superradiance. We find that the frequency of the superradiant laser rigidly follows the pump laser frequency, evein in the presence of perturbations such as cavity vibrations, photon number fluctuations and Doppler broadening. As pump phase noise is increased, we observe a crossover of the coherence reservoir from atomic dipole to cavity photons, manifested by the emission linewidth broadening from the pump’s intrinsic linewidth toward the cavity‐limited linewidth.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Chapter 1 Introduction 1
• Chapter 2 Theory of the superradiant laser 5
• 2.1 Review of the quantum master description of superradiant lasing 5
• 2.2 The bandwidth of superradiant lasing 10
• 2.3 The first order correlation function of superradiant lasing 11
• 2.4 Quantum trajectory simulation about spectrum of the superradiant lasing 13
• Chapter 3 Experimental setup 17
• 3.1 Overall experimental setup 17
• 3.2 Supersonic 138Ba atomic beam 20
• 3.2.1 Properties of Ba atom 21
• 3.2.2 Supersonic atomic beam oven 23
• 3.2.3 Aligning of the atomic beam 24
• 3.2.4 Velocity measurements of the atomic beam 26
• 3.3 High finesse cavity 28
• 3.4 Laser systems 34
• 3.4.1 791nm wavelength laser 34
• 3.4.2 553nm wavelength laser 42
• 3.5 Cavity stabilization 43
• 3.6 Pump beam laser 46
• 3.7 Nanohole array 50
• 3.7.1 Fabrication of nanohole array 51
• 3.7.2 Nanohole array alignment for the superradiance lasing 54
• 3.8 Signal detection 56
• 3.8.1 Fluorescence detection 59
• 3.8.2 Intra-cavity photon number and atom number calibration 63
• 3.8.3 The detection of superradiance lasing 65
• 3.9 The spectrum measurements setup for superradiance 68
• 3.9.1 Photon counting based second order correlation spectroscopy (PCSOCS) 68
• 3.9.2 The second-order correlation measurements 70
• 3.9.3 Alignment of local oscillator 73
• Chapter 4 Experimental results 77
• 4.1 The frequency of superradiant laser 77
• 4.2 The linewidth of superradiant laser 82
• 4.3 The transition in the role of quantum coherence reservoir 88
• 4.4 Superradiance in the traveling-wave region 89
• 4.5 The effect of the atomic Stark-shift on the superradiance frequency synthesis 94
• Chapter 5 Prospects and Conclusion 96
• 5.1 Transverse pumping scheme 96
• 5.2 Phase modulation of the pump laser 103
• 5.3 Conclusion 106
• Summary 114