CC BY
8ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОЙ СВЯЗИ ЭКСИТОНОВ И ФОНОНОВ АКТИВНОЙ СРЕДЫ НА ЛАЗЕРНУЮ ДИНАМИКУ
123 123 1234 23
Терещенков Е.А. ' ' , Андрианов Е.С. ' ' *, Зябловский А.А. ' ' ' , Пухов А.А. ' ,
12 3
Виноградов А.П. ' '
1ВНИИА им. Духова
2Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) 3 Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН 4 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-93-94
В последнее время материалы с сильной связью между электронными и колебательными степенями свободы, такие как коллоидные [1] и эпитаксиальные [2] квантовые точки (КТ), перовскиты [3] и молекулы красителей [4], активно исследуются. Эти материалы характеризуются высоким коэффициентом усиления и широко используются для миниатюризации лазеров [5]. Как правило, наблюдаемое обычное усиление в таких лазерах намного больше, чем за счет вынужденного комбинационного рассеяния. Поэтому даже в лазерах, использующих активные среды с сильным взаимодействием экситонов и фононов, влиянием оптических фононов на работу лазера обычно пренебрегают. Тем не менее, такие материалы могут иметь большое сечение рамановского рассеяния [6] и становится возможным усиление фононов за счет воздействия электромагнитного поля на электронную подсистему. Таким образом, помимо сильного усиления света, системы с сильной электрон-фононной связью могут эффективно усиливать оптические фононы с короткой длиной волны и создавать фононные нанолазеры.
В данной работе мы сосредоточимся на влиянии фононных колебаний в материалах с сильной электрон-фононной связью на усиливающие свойства обычных лазеров. Для конкретности мы рассматриваем усиливающие среды на основе коллоидных КТ. В таких лазерах предполагается некогерентная накачка, а генерация определяется взаимодействием поляризации электронной подсистемы КТ с модой резонатора. Связь электрического поля резонатора с поляризацией активной среды рассматривается в дипольном приближении и характеризуется константой Раби.
Мы описываем взаимодействие между электронами и оптическими фононами через гамильтониан Фрелиха. Из-за сильной связи оптических фононов с электрическим полем постоянная взаимодействия Фрелиха может быть сравнима или даже больше, чем постоянная Раби. Мы обнаруживаем, что существует критическое значение константы связи Фрёлиха. Ниже этого критического значения наблюдается обычная лазерная динамика, выше - возникают новые режимы работы. Значение этой константы составляет около 10-2 эВ. Это значение реализуется в нескольких типах квантовых точек, таких как CdSe, CdS и PbS. Поперечное сечение комбинационного рассеяния для этих квантовых точек составляет ~10-6 А2; она соответствует константе взаимодействия Фрелиха порядка 10-2 эВ.
В одном из этих режимов возникает новый тип автоколебаний. В этом режиме участвуют как когерентные фононы, так и когерентное оптическое поле. Спектр этих колебаний содержит ряд эквидистантных частот, отличающихся на частоту фонона. Переход к новому автоколебательному режиму происходит по типу бифуркации Хопфа по мере увеличения скорости накачки. Новый режим характеризуется собственным порогом скорости накачки, отличным от порога генерации [7].
Другой необычный режим, который был найден — хаотическая лазерная динамика, спектр которой содержит несоизмеримые частоты. Этот режим реализуется при тех же значениях константы взаимодействия Фрелиха, что и предыдущий режим, но при меньших значениях скорости дефазировки экситонов, что может быть достигнуто, например, понижением температуры [7].
Наиболее необычным свойством новых режимов является то, что выше второго порога в определенных диапазонах частоты резонатора, скорости накачки и постоянной Фрелиха устойчиво более одного решения системы уравнений движения. В этой области начальные значения поля резонатора, поляризация активной среды, инверсия населенностей и амплитуда фононов определяют, какой режим будет реализован [7].
По сути, найденные новые автоколебания представляют собой генератор когерентных оптических фононов, который может служить основой для фононного нанолазера. Такое устройство можно использовать для существенного повышения разрешения при обработке изображений. Кроме того, генерация когерентных фононов важна для оптомеханических приложений, в квантовых информационных технологиях и может использоваться для квантовых операций и протоколов.
ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
Литература
1. Guzelturk, B, et al, ACSNano. 8, 6599-6605 (2014)
2. Anantathanasarn, S., et al, Appl Phys. Lett. 89, 073115 (2013)
3. Zhu, H., et al, Nature Materials 14, 636-642 (2015)
4. Altman, J., et al, IEEE Photonics technology letters 3, 189-190 (1991)
5. Zhang, Q., et al, Nature communications 5, 1-9 (2014)
6. Kelley, A. M., J. Chem. Phys. 151, 140901 (2019)
7. Tereshchenkov, E. A., et al, Sci Rep. 12, 1 (2022)
