Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Features of superradiation in a resonator under conditions of resonant nonlinearity of the material response of the active element

Е.В. Тимощенко, V.A. Yurevich, E.V. Timoschenko

Published Jan 1, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

Проведена модификация системы уравнений Максвелла – Блоха, позволившая анализировать особенности структуры сверхизлучения, развивающегося в резонаторах импульсных лазеров. Учтена возможность влияния безынерционной по отношению к вариациям инверсной заселенности нелинейности материального отклика активного элемента в схеме резонатора на временнýю структуру излучаемого светового поля. Нелинейность приводит к фазовой неустойчивости и соответствующей перенормировке фазового соотношения излучаемого поля и поляризационного отклика инвертированной среды. Это ведет к значительному повышению частоты нутационных осцилляций и изменению временнóго профиля интенсивности сверхизлучения. Модельные расчеты проведены для параметров микролазеров на полупроводниковых квантовых точках. = The Maxwell – Bloch equations system has been modified to analyze the structural features of superradiance developing in pulsed laser resonators. The possibility of the influence of the inertialess nonlinearity of the material response of the active element in the resonator circuit on the temporal structure of the emitted light field with respect to population inversion variations has been taken into account. Nonlinearity leads to phase instability and corresponding renormalization of the phase relationship of the emitted field and the polarization response of the inverted medium. This leads to a significant increase in the frequency of nutation oscillations and a change in the time profile of the superradiance intensity. Model calculations have been performed for the parameters of semiconductor quantum dot microlasers.

DOI
10.54341/20778708_2026_1_66_32

Related papers

To the problem of superradiance in a cavity on condition of nonlinear frequency drift / E. V. Timoschenko, V. A. Yurevich, Yu. V. Yurevich

Тимощенко, E. B., Юревич, В. А., Юревич, Ю. В.

Ha ocнове модификации ypaвнений Максвелла-Блоха проанализированы особенности излучения импульсных лазеров в условиях когерентного взаимодействия светового поля со средой усиливающего элемента и присущей среде резонансной фазовой нелинейности. Моделирование когерентного эффекта сверхизлучения, развивающегося в резонаторе, проведено для параметров систем квантовых точек в полупроводниковых наногетероструктурах

•Jan 1, 2025•0 citations

Interaction of resonant media with complex-frequency radiation / D. V. Novitsky

Новицкий, Д. В.

В последние годы активно исследуется распространение и преобразование волн, имеющих комплексную частоту. Такие волны позволяют задействовать нули и полюса рассеяния (резонансы), которые располагаются на комплексных частотах, и имитировать поглощение и усиление излучения в пассивных системах. В докладе дается краткий обзор этого направления исследований и приводятся результаты, полученные автором при изучении взаимодействия оптического излучения комплексной частоты с резонансными средами

•Jan 1, 2025•0 citations

Modeling of superradiance in a resonator under conditions of frequency drift caused by resonant nonlinearity

E. V. Timoshchenko, В. А. Юревич

Several modifications of the Maxwell–Bloch equations are presented for analyzing the emission characteristics of pulsed lasers. The analysis is performed under the condition of coherent interaction between light and a gain medium with resonant phase nonlinearity. For the first time, the interrelated factors of instability of the phase relationship of the light field and the response of the medium, caused by the dipole-dipole interaction and the contribution of quasi-resonant polarization, are taken into account. To describe the superradiance (SR) regime, semi-analytical expressions for the response variables in the Bloch vector formalism are refined. Various approximations of the original model are represented by systems of kinetic equations for the field and response variables of the medium, as well as a nonlinear oscillatory equation for the polar angle of the Bloch vector. Modeling of the coherent SR effect in a resonator showed that the temporal structure of SR is extremely sensitive to the resonant nonlinearity of the material response. It is shown that under nonlinear conditions, the typical nutational intensity structure of synchrotron radiation is transformed into a contrasting quasi-periodic modulation of the trailing edge of the main pulse in the subpicosecond range. A computational analysis of the synchrotron radiation process in a resonator is performed for the parameters of semiconductor quantum dot systems in nanoheterostructures. Such systems are considered promising for use in compact optical electronics and photonics devices.

Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus•May 4, 2026•0 citations

Optimizing the dispersion properties of a ring microresonator

Ilya Chuprina, А.А. Калачёв

Работа посвящена проблеме создания интегральных однофотонных источников на основе спонтанного четырёхволнового смешения в кольцевых микрорезонаторах. На примере резонатора из нитрида кремния рассчитана дисперсия групповой скорости в широком диапазоне длин волн для случая, когда кольцевой резонатор состоит из прямых и изогнутых участков, и показано, что для различных длин волн излучения накачки можно найти оптимальное соотношение высоты и ширины волновода, при котором достигается нулевая дисперсия групповой скорости при минимальной высоте резонатора. Такие волноводы, обеспечивающие нулевую дисперсию и обладающие минимальной высотой, являются оптимальными для создания кольцевых микрорезонаторов, позволяющих генерировать однофотонные состояния в режиме невырожденного спонтанного четырёхволнового смешения.

•Apr 1, 2017•0 citations

Nonlinear dynamics of open quantum systems

Alexey Yur'evich Samarin

С помощью интегрального волнового уравнения с ядром оператора эволюции в виде интеграла по траекториям рассматривалось изменение волновой функции замкнутой системы, состоящей из двух подсистем. Предполагалось, что одной из подсистем системы является квантовая частица. На основе интегрального волнового уравнения для замкнутой системы описана динамика матрицы плотности этой частицы и выведено соответствующее уравнение. Это нелинейное уравнение зависит от предыстории эволюции всей замкнутой системы. Показано, что в процессе эволюции открытой квантовой системы в общем случае не сохраняется след матрицы плотности и необходима процедура нормировки следа, которая в данном случае является математическим образом реально существующего нелокального физического процесса. В качестве иллюстрации этого предположения представлено описание нелокальных явлений коллапса волновой функции при измерении и ЭПР-корреляции.

arXiv:1706.09405•Вестник Самарского государственного технического университета Серия Физико-математические науки•Mar 28, 2018•0 citations

On Solving the Problem of Quasi-Two-Dimensional Supercrystal Nonlinear Resonance Response

E. V. Timoshchenko, V. A. Yurevich

Taking into account the foundations of the generalized two-level scheme, an analytical solution to the problem of the evolution of superradiance in a quasi-two-dimensional supercrystal formed by quantum dots is obtained under homogeneous lasing field assumption in the resonant medium of the quasicrystal.The calculation was performed for the physical parameters of a semiconductor structure with quantum-well effects in the presence of resonant nonlinearity and intraband relaxation.We use the generalized two-level scheme, which allows us to take into account the self-modulating spectral broadening of the light field due to the absorption of radiation in quasi-resonant transitions in the quantum mechanical material equations, which are solved together with the field coupling equations.A relation is formulated that is analogous to the law of conservation of the polar angle of the Bloch vector for the more general case of interaction under consideration, in which, along with the phase nonlinearity of the response, the spread rate of active dipoles within the spectral line width is taken into account (i.e., the finiteness of the phase relaxation time of elementary emitters).The use of the Bloch vector formalism in this case makes it possible to obtain an analytical solution of the original modification of the nonlinear system of equations for the semiconductor supercrystals response variables and to calculate the shape of the superradiance pulses.The calculations predict the pronounced asymmetry of the pulses emitted by the semiconductor supercrystals.The calculated estimates of the time dynamics of the superradiance process, taking into account the nonlinearities typical for the resonant response, can be used in the development of methods for obtaining and profiling optical pulses in the sub-picosecond range of durations in modern compact nanophotonics devices.

Učenye zapiski Kazanskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriâ Fiziko-matematičeskie nauki/Učënye zapiski Kazanskogo universiteta. Seriâ Fiziko-matematičeskie nauki•Jan 1, 2021•2 citations
Проведена модификация системы уравнений Максвелла – Блоха, позволившая анализировать особенности структуры сверхизлучения, развивающегося в резонаторах импульсных лазеров. Учтена возможность влияния безынерционной по отношению к вариациям инверсной заселенности нелинейности материального отклика активного элемента в схеме резонатора на временнýю структуру излучаемого светового поля. Нелинейность приводит к фазовой неустойчивости и соответствующей перенормировке фазового соотношения излучаемого поля и поляризационного отклика инвертированной среды. Это ведет к значительному повышению частоты нутационных осцилляций и изменению временнóго профиля интенсивности сверхизлучения. Модельные расчеты проведены для параметров микролазеров на полупроводниковых квантовых точках. = The Maxwell – Bloch equations system has been modified to analyze the structural features of superradiance developing in pulsed laser resonators. The possibility of the influence of the inertialess nonlinearity of the material response of the active element in the resonator circuit on the temporal structure of the emitted light field with respect to population inversion variations has been taken into account. Nonlinearity leads to phase instability and corresponding renormalization of the phase relationship of the emitted field and the polarization response of the inverted medium. This leads to a significant increase in the frequency of nutation oscillations and a change in the time profile of the superradiance intensity. Model calculations have been performed for the parameters of semiconductor quantum dot microlasers.
Ha ocнове модификации ypaвнений Максвелла-Блоха проанализированы особенности излучения импульсных лазеров в условиях когерентного взаимодействия светового поля со средой усиливающего элемента и присущей среде резонансной фазовой нелинейности. Моделирование когерентного эффекта сверхизлучения, развивающегося в резонаторе, проведено для параметров систем квантовых точек в полупроводниковых наногетероструктурах
В последние годы активно исследуется распространение и преобразование волн, имеющих комплексную частоту. Такие волны позволяют задействовать нули и полюса рассеяния (резонансы), которые располагаются на комплексных частотах, и имитировать поглощение и усиление излучения в пассивных системах. В докладе дается краткий обзор этого направления исследований и приводятся результаты, полученные автором при изучении взаимодействия оптического излучения комплексной частоты с резонансными средами
Several modifications of the Maxwell–Bloch equations are presented for analyzing the emission characteristics of pulsed lasers. The analysis is performed under the condition of coherent interaction between light and a gain medium with resonant phase nonlinearity. For the first time, the interrelated factors of instability of the phase relationship of the light field and the response of the medium, caused by the dipole-dipole interaction and the contribution of quasi-resonant polarization, are taken into account. To describe the superradiance (SR) regime, semi-analytical expressions for the response variables in the Bloch vector formalism are refined. Various approximations of the original model are represented by systems of kinetic equations for the field and response variables of the medium, as well as a nonlinear oscillatory equation for the polar angle of the Bloch vector. Modeling of the coherent SR effect in a resonator showed that the temporal structure of SR is extremely sensitive to the resonant nonlinearity of the material response. It is shown that under nonlinear conditions, the typical nutational intensity structure of synchrotron radiation is transformed into a contrasting quasi-periodic modulation of the trailing edge of the main pulse in the subpicosecond range. A computational analysis of the synchrotron radiation process in a resonator is performed for the parameters of semiconductor quantum dot systems in nanoheterostructures. Such systems are considered promising for use in compact optical electronics and photonics devices.
Работа посвящена проблеме создания интегральных однофотонных источников на основе спонтанного четырёхволнового смешения в кольцевых микрорезонаторах. На примере резонатора из нитрида кремния рассчитана дисперсия групповой скорости в широком диапазоне длин волн для случая, когда кольцевой резонатор состоит из прямых и изогнутых участков, и показано, что для различных длин волн излучения накачки можно найти оптимальное соотношение высоты и ширины волновода, при котором достигается нулевая дисперсия групповой скорости при минимальной высоте резонатора. Такие волноводы, обеспечивающие нулевую дисперсию и обладающие минимальной высотой, являются оптимальными для создания кольцевых микрорезонаторов, позволяющих генерировать однофотонные состояния в режиме невырожденного спонтанного четырёхволнового смешения.
С помощью интегрального волнового уравнения с ядром оператора эволюции в виде интеграла по траекториям рассматривалось изменение волновой функции замкнутой системы, состоящей из двух подсистем. Предполагалось, что одной из подсистем системы является квантовая частица. На основе интегрального волнового уравнения для замкнутой системы описана динамика матрицы плотности этой частицы и выведено соответствующее уравнение. Это нелинейное уравнение зависит от предыстории эволюции всей замкнутой системы. Показано, что в процессе эволюции открытой квантовой системы в общем случае не сохраняется след матрицы плотности и необходима процедура нормировки следа, которая в данном случае является математическим образом реально существующего нелокального физического процесса. В качестве иллюстрации этого предположения представлено описание нелокальных явлений коллапса волновой функции при измерении и ЭПР-корреляции.
Taking into account the foundations of the generalized two-level scheme, an analytical solution to the problem of the evolution of superradiance in a quasi-two-dimensional supercrystal formed by quantum dots is obtained under homogeneous lasing field assumption in the resonant medium of the quasicrystal.The calculation was performed for the physical parameters of a semiconductor structure with quantum-well effects in the presence of resonant nonlinearity and intraband relaxation.We use the generalized two-level scheme, which allows us to take into account the self-modulating spectral broadening of the light field due to the absorption of radiation in quasi-resonant transitions in the quantum mechanical material equations, which are solved together with the field coupling equations.A relation is formulated that is analogous to the law of conservation of the polar angle of the Bloch vector for the more general case of interaction under consideration, in which, along with the phase nonlinearity of the response, the spread rate of active dipoles within the spectral line width is taken into account (i.e., the finiteness of the phase relaxation time of elementary emitters).The use of the Bloch vector formalism in this case makes it possible to obtain an analytical solution of the original modification of the nonlinear system of equations for the semiconductor supercrystals response variables and to calculate the shape of the superradiance pulses.The calculations predict the pronounced asymmetry of the pulses emitted by the semiconductor supercrystals.The calculated estimates of the time dynamics of the superradiance process, taking into account the nonlinearities typical for the resonant response, can be used in the development of methods for obtaining and profiling optical pulses in the sub-picosecond range of durations in modern compact nanophotonics devices.