Определение порогов генерации для однокубитного лазера

Abstract

Вопрос о существовании порога генерации микролазера неоднократно обсуждался в литературе последних лет. До сих пор не найдено строгих критериев, по которым можно судить о том, находится ли микролазер в допороговом режиме работы или же в режиме генерации. Некоторые авторы экспериментальных работ утверждают, что порог генерации для одноатомных лазеров и подобных им систем вообще отсутствует, поскольку отсутствует излом в кривой зависимости внутрирезонаторной амплитуды поля от амплитуды некогерентной накачки. В данной работе определяются два порога генерации для модели однокубитного лазера. Такой микролазер представляет собой систему, которая состоит из одного сверхпроводящего кубита (так называемого островка), характеризующегося двумя зарядовыми состояниями: с избыточной куперовской парой и без нее. Куперовская пара поступает на островок через контакт Джозефсона с электрода земли. При этом частота перехода настроена в резонанс с расположенным рядом копланарным волноводом (резонатором), в результате чего возможно испускание фотона. Лазерный режим генерации создается путем перекачки N куперовских пар на островок с последующим испусканием N фотонов. В статье используется квантово-механический подход к определению порогов генерации однокубитного лазера на основе Pи Q-функций квазивероятности. Первый порог связан с генерацией излучения с ненулевой амплитудой, а второй порог – с достижением единицы среднего числа внутрирезонаторных фотонов. Для случая высокодобротного резонатора получены аналитические выражения для обоих порогов генерации. Обнаружено, что при определенном соотношении между параметрами, описывающими однокубитный лазер, первый порог генерации «исчезает», так как генерация излучения с ненулевой амплитудой осуществляется при любой интенсивности некогерентной накачки. Показано, что с увеличением параметра дефазировки возможен выход лазера из режима генерации.