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숄츠($\check{S}olc$)형 원자 천이 필터

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Academic year: 2021

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숄츠(Šolc)형 원자 천이 필터

홍현규, 서원택, 이문주, 송영훈, 조영탁*, 이재형, 안경원

서울대학교 물리천문학부, *광주대학교 광통신공학과 kwan@phya.snu.ac.kr

빛의 경우 비선형 매질에서 주기분극반전(periodic poling)을 통해 준위상정합(quasi-phase matching) 조건을 만족시키면 어긋나는 위상을 능동적으로 돌이켜 강한 세기의 비선형효과를 얻을 수 있음이 잘 알려져 있다(1). 특히 준위상 정합은 편광 간섭 필터에도 응용될 수 있는데 두 장의 직교한 편광기 사이에 여러 장의 반파장 위상판을 광축이 포개지게 겹치면 광축이 입력 편광과 수 직하지 않아도 투과시킬 수 있을 뿐 아니라 투과 대역을 매우 좁게 만들 수 있다. 이를 숄츠(Šolc) 필터라고 부른다(2). 양자 연산의 관점에서 빛의 두 가지 선형 편광과 이준위 원자의 두 에너지 상태는 매우 유사 하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 원자의 에너지 상태 간 천이에 대해 숄츠 필터의 원리를 적용해 보았다. 강결합 조건하에서 원자-공진기 결합 상수를 주기 반전시키면 이준위 원자가 공진기 모드 로 광자를 방출할 확률이 비공진 조건에서도 100%에 이를 수 있을 뿐 아니라 공진기의 공진 주파 수에 따라 좁은 대역으로 국한된다(3). 원자의 밀도 반전만을 고려했을 때 원자 숄츠 필터의 작동은 광 숄츠 필터와 일대일 대응을 이루며 라비 진동수, 디튜닝, 상호작용 시간을 조정하여 준위상 정 합 조건을 만족시킬 수 있다. 특별히 초기에 여기 상태로 준비된 원자가 N개의 주기 반전 구간을 거치고 난 후 바닥상태로 천이할 확률을 해석적으로 구하였으며 그것을 라비 진동수와 디튜닝의 함수로 그렸을 때 갈래선(branch line)과 갈래원(branch circle)으로 패턴을 구분할 수 있었다. 블로 흐(Bloch) 구면 위에서 원자가 진화해가는 과정을 살펴보면 기하학적으로 준위상정합 조건을 찾을 수 있는데 이를 통해 천이 확률의 규칙적인 패턴을 이해할 수 있을 뿐 아니라 필터의 원리를 규명 할 수 있다. 이와 같은 원자 숄츠 필터는 속도 선택기로 이용될 수 있으며 특히 공진기-QED 마이크로레이 저(4)에 응용 되었을 경우 비고전적 성질인 서브-포아송 광통계의 정도를 더욱 증가시킬 수 있다는 장점을 지닌다. 이는 주기 반전 횟수가 증가하면 천이 확률이 평균 광자수에 따라 더욱 가파르게 변화하고, 따라서 광자수의 안정화 과정에 원자의 결맞음이 기여하는 정도(5)가 증가하기 때문이다.

1. J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S. Pershan, "Interactions between light waves in a nonlinear dielectric," Phys. Rev. 127, 1918-1939 (1962).

2. I. Šolc, "Birefringent chain filters," J. Opt. Soc. Am. 55, 621-625 (1965).

3. H.-G. Hong, W. Seo, M. Lee, Y. Song, Y.-T. Chough, J.-H. Lee, and K. An, "Atomic Solc filter: multi-resonant photoemission via periodic poling of atom-cavity coupling constant", Opt. Express 17 15455-15467 (2009).

4. K. An, J. J. Childs, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Microlaser: a laser with one atom in an optical resonator," Phys. Rev. Lett. 73, 3375-3378 (1994).

5. W. Choi, J.-H. Lee, K. An, C. Fang-Yen, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Observation of sub-Poisson photon statistics in the cavity-QED microlaser," Phys. Rev.

(2)

그림 1 초기에 여 기 상태에 있는 원 자가 N개의 구간 을 지난 후에 천이 할 확률. N=1에서 N=8까지 제시되어 있으며 노란 점선 으로 갈래선과 갈 래원이 표시되어 있다. η와 δ는 각 각 단위 간격 상호 작용 시간으로 축 척된 라비 주파수 와 디튜닝이다. 그림 2 N=5의 경 우 첫 번째 갈래원 상에서 최대 천이 확률을 나타내는 세 점에 대하여 블 로흐 벡터의 경로 가 그려져 있다. p=1의 경우가 가 장 이상적인 숄츠 필터의 준위상 정 합 조건에 해당한 다. Lett. 96, 093603 (2006). 85

수치

그림  1  초기에  여 기  상태에  있는  원 자가  N개의  구간 을  지난  후에  천이 할  확률.  N=1에서  N=8까지  제시되어  있으며  노란  점선 으로  갈래선과  갈 래원이  표시되어  있다

참조

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