Model of an open quantum system for describing the operation of an erbium laser
Abstract
A quantum mechanical system consisting of an electromagnetic mode interacting with a set of erbium atoms is considered. For the density matrix of this system, the Gorini-Kossakovsky-Sudarshan-Lindblad master equation was considered in the local approach. From this master equation, equations are obtained that describe the average population of the electromagnetic mode and erbium atoms. For these equations, laser radiation generation curves were obtained and a comparative analysis with rate equations was carried out. It is shown that the presence of terms responsible for spontaneous emission in the resulting equations leads to a smoothing of the laser radiation generation threshold.
- laser
- fiber laser
- physics of open quantum system
Аннотация (на русском)
Модель открытой квантовой системы для описания работы эрбиевого лазера
Рассмотрена квантово-механическая система, состоящая из электромагнитной моды, взаимодействующей с набором атомов эрбия. Для матрицы плотности данной системы построено управляющее уравнение Горини-Косcаковского-Сударшана-Линдблада в локальном подходе. Из данного управляющего уравнения получены уравнения, описывающие средние заселенности электромагнитной моды и атомов эрбия. Для данных уравнений получены кривые генерации лазерного излучения и проведен сравнительный анализ со скоростными уравнениями. Показано, что наличие слагаемых, отвечающих за спонтанное излучение в полученных уравнениях, приводит к сглаживанию порога генерации лазерного излучения.
For citation
Vovchenko I.V., Andrianov E.S., Dorofeenko A.V. Model of an open quantum system for describing the operation of an erbium laser // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.6
References
- Shi W., Fang Q., Zhu X., Norwood R. A., Peyghambarian N. Fiber lasers and their applications //Applied optics. - 2014. - V. 53. - N 28. - P. 6554-6568.
- Dragic P. D., Cavillon M., Ballato J. Materials for optical fiber lasers: A review //Applied Physics Reviews. - 2018. - V. 5. - N 4. - P. 041301
- Naji A.W. et al. Review of Erbium-doped fiber amplifier //International Journal of the Physical Sciences. - 2011. - V. 6. - N 20. - P. 4674-4689.
- Bouzid B. Analysis and review of Erbium doped fiber amplifier //2013 Saudi International Electronics, Communications and Photonics Conference. - IEEE, 2013. - P. 1-5.
- Sanchez F., Le Boudec P., François P. L., Stephan G. Effects of ion pairs on the dynamics of erbium-doped fiber lasers //Physical Review A. - 1993. - V. 48. - N 3. - P. 2220.
- Breuer H. P., Petruccione F. The theory of open quantum systems. - Oxford University Press, USA, 2002.