2018 Fiscal Year Annual Research Report
Novel optical phenomena in non-Hermitian microcavities
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16K04974
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
砂田 哲 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (10463704)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 非エルミート光学 / 微小共振器 / 例外点 / exceptional point |
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| Outline of Annual Research Achievements |
外界と結合した波動系には，複数の固有状態が１つに融合する例外点と呼ばれる点があり，その付近でエルミート波動系では見られない特異な挙動を示す。前年度において，例外点まわりの光共振器系の応答関係は，融合した共鳴まわりにおいて散逸レートの4乗に反比例するという結果を得た。これは，利得を有する系において量子的・熱的ノイズ刺激による応答が劇的に拡大するという結果を意味する。特に例外点で動作させた共振器系をレーザ共振器として利用した場合，過剰なノイズ増幅によってレーザ線幅が異常に増大（コヒーレンスが低下）することをMaxwell-Bloch方程式により数値的に示した。今年度は，レーザ系における過剰ノイズ増幅が生じる条件について大規模な数値実験により調べ，発振閾値近傍でノイズ増幅効果が最大となる結果を得た。これはノイズ増幅が２つの特異な点（例外点と発振閾値）まわりの協同的作用により生じることを意味する。更に，Maxwell-Bloch方程式を縮約したモデル方程式を導出し，例外点近傍のレーザ発振線幅が光強度の2乗に反比例して発散する結果を得た。これはSchawlow-Townesの線幅理論で記述される単一共鳴によるレーザ発振線幅とは異なり，閾値近傍で急激に線幅増大が生じることを意味する。以上のように，例外点まわりのノイズ鋭敏性がノイズ増幅効果をもたらし，レーザ発振現象に大きな影響を与えることが明らかになった。例えば，2016年度に提案した周期型構造のリング共振器をレーザ発振器として用いれば，屈折率分布の変調により例外点動作を制御して，新しいコヒーレンス可変なレーザになると期待できる。
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