辐射平衡太阳激光器的微观理论
光学
2026-05-06 v1
摘要
我们发展了一种用于Yb:YAG (镱掺铝石榴石) 基的辐射平衡太阳激光器 (RBSL) 的微观开放量子系统理论，在该系统中，光学增益、电子基态和激发流形亚能级间的热力学再分配以及晶格温度动力学被纳入统一框架。从多能级增益介质耦合到腔模式的 Lindblad 主方程出发，我们包括不可约的太阳泵浦、自发辐射、腔损耗以及遵循详细平衡的声子辅助内流动力学。 在每个电子流形内快速热化的条件下，推导出一个紧凑的两能级模型，其中增益、 Inversion 和激光阈值由电子亚能级的 Boltzmann 分配因子和配分函数控制。随后，该微观化简模型被自一致地耦合到一个热力学平衡方程，后者考虑了反斯特克荧光冷却、量子缺陷加热、寄生吸收以及与环境的热量交换。该理论预测了多个工作 regime，包括纯凉却、带净冷却的激光和带净加热的激光，以及诸如自冷却导致阈值延迟启动等动力学效应。与基于主要宏观速率方程和热力学平衡论证的早期辐射平衡激光器 (RBL) 模型不同，本方法提供了量子光学动力学与温度再分配之间反馈的微观描述。因此，它为分析 RBSL 提供了透明的物理框架，识别利用能级结构、热化和光子环境工程来稳定激光操作同时最小化内部热负荷的设计策略。
引用
@article{arxiv.2605.03296,
title = {Microscopic theory of a radiation-balanced solar laser},
author = {Ahmed Jaber and Michael Küblböck and Jean-Michel Ménard and Hanieh Fattahi and Claudiu Genes},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.03296},
year = {2026}
}
备注
12 pages (5 figures) + 5 pages appendix (2 figures)