Коллективное спонтанное излучение и сверхизлучающие лазеры класса D

Среди когерентных квантовых явлений неизменное внимание в институте привлекает коллективное спонтанное излучение (сверхизлучение Дике). В последние годы была предложена и теоретически обоснована возможность такого излучения бозе-эйнштейновским конденсатом частиц с внутренними степенями свободы. Выяснены ожидаемые спектрально-корреляционные свойства подобного сверхизлучения для лазера, использующего ловушки, которые служат низкодобротными резонатоами и имеют размеры, существенно превышающие длину волны излучения. В частности, предсказано существование сверхизлучательной лазерной генерации на частоте рекомбинации диполярных экситонов в полупроводниковых ловушках с квантовыми ямами в условиях, близких к требуемым для бозе-эйнштейновской конденсации экситонов при температуре порядка 1—10 К. Предложены конструкции резонаторов, в которых могут быть сформированы необходимые парциальные электромагнитные моды, в частности путем полного внутреннего отражения от гетерограниц (поверхностей) ловушки, обеспечивающие генерацию нормальных поляритонных мод, поляризационная (экситонная) компонента которых превалирует над электромагнитной. Для них генерация возможна не только на экситонах, сконденсировавшихся в основном состоянии ловушки, но и на надконденсатных экситонах, еще до достижения порога бозе-эйнштейновской конденсации. Полученный результат дает основу для разработки новых методов диагностики энергетического и пространственного распределения экситонов в критической области.
Приоритетным является и предсказание (сделанное около 20 лет назад А. А. Беляниным, В. В. Кочаровским и Вл. В. Кочаровским), а недавно — получение и детальное исследование (в совместном российско-американском эксперименте) впервые наблюдавшейся коллективной рекомбинации свободных электронов и дырок, созданных фемтосекундной лазерной накачкой в гетероструктурах с квантовыми ямами, помещенными в поперечное магнитное поле порядка 10 Тл. Рекомбинация происходила сразу с нескольких уровней Ландау электронов и дырок, причем сопровождалась случайным образом направленными, но когерентными импульсами коллективного спонтанного излучения на каждом из этих межзонных переходов.
Впервые показано также, что на основе последних достижений нанотехнологии выращивания массивов субмонослойных квантовых точек и разработанных в ИПФ методов нелинейной динамической селекции мод благодаря распределенной обратной связи возможно создание уникального сверхизлучающего гетеролазера миллиметровой длины с КПД более 50 %. Он способен генерировать последовательности мощных (мультиваттных) сверхкоротких (пикосекундных) импульсов когерентного излучения при непрерывной инжекционной или оптической накачке в отсутствие специальной синхронизации мод и рассчитан на решение сложных задач динамической спектроскопии и обработки информации. Его излучение обладает необычными (для существующих лазеров) корреляционными и спектрально-динамическими свойствами, поскольку возникает в низкодобротном многомодовом резонаторе, время жизни фотонов в котором мало по сравнению со временем жизни оптической поляризации квантовых точек (Е. Р. Кочаровская, В. В. Кочаровский, Вл. В. Кочаровский). Для подобных лазеров, называемых лазерами класса D и ранее не реализованных, спроектированы (совместно с ФТИ РАН) необходимые GaAs/InGaAs-гетероструктуры с несколькими слоями субмонослойных квантовых точек, обладающие рекордной спектральной и пространственной плотностью состояний с достаточно большим временем релаксации их оптической поляризации.

Пример квазипериодической сверхизлучательной генерации лазера класса D: динамические спектры электромагнитного поля (слева) и инверсии активной среды (справа) показаны на плоскости «время — частота» в условных единицах (более насыщенный желтый цвет соответствует более интенсивной генерации)