Abstract

We experimentally and numerically investigate amplified spontaneous emission (ASE) in the presence of radiation reabsorption by using an end-pumped ruby laser. From the fluorescence time decay in the axial direction, we find that the average path length of ASE is much larger than the reabsorption length and exhibits sharp variation near the semi-concentric cavity configuration; however, the side lifetime is independent of cavity configuration. In addition, an axial power bump corresponding to a side power valley and the enhanced fluorescence R-line spectrum are observed and explained.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Wikipedia, “Amplified spontaneous emission,” http://en.wikipedia.org/wiki/Amplified_spontaneous_emission .
  2. A. E. Siegman, Lasers (University Science, 1986), section 13.8.
  3. N. P. Barnes and B. M. Walsh, IEEE J. Quantum Electron. 35, 101 (1999).
    [CrossRef]
  4. C. H. Chen, Y. H. Wu, C. P. Fan, and T. H. Wei, Opt. Express 20, 25613 (2012).
    [CrossRef]
  5. S. Guy, Phys. Rev. B 73, 144101 (2006).
  6. H. Kühn, S. T. Fredrich-Thornton, C. Krankel, R. Peters, and K. Petermann, Opt. Lett. 32, 1908 (2007).
    [CrossRef]
  7. G. Toci, Appl. Phys. B 106, 63 (2012).
    [CrossRef]
  8. A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
    [CrossRef]
  9. D. J. Heinzen and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 59, 2623 (1987).
    [CrossRef]
  10. D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
    [CrossRef]
  11. S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

2012

2009

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

2008

S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

2007

2006

S. Guy, Phys. Rev. B 73, 144101 (2006).

1999

N. P. Barnes and B. M. Walsh, IEEE J. Quantum Electron. 35, 101 (1999).
[CrossRef]

1987

D. J. Heinzen and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 59, 2623 (1987).
[CrossRef]

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

Amaro, F. D.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Antognini, A.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Barnes, N. P.

N. P. Barnes and B. M. Walsh, IEEE J. Quantum Electron. 35, 101 (1999).
[CrossRef]

Bigot, E. L.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Biraben, F.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Chen, C. H.

Childs, J. J.

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

Crossley, W. A.

S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

Dax, A.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Fan, C. P.

Feld, M. S.

D. J. Heinzen and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 59, 2623 (1987).
[CrossRef]

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

Fredrich-Thornton, S. T.

Giesen, A.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Graf, T.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Guy, S.

S. Guy, Phys. Rev. B 73, 144101 (2006).

Hänsch, T. W.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Heinzen, D. J.

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

D. J. Heinzen and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 59, 2623 (1987).
[CrossRef]

Imbrie, P. K.

S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

Indelicato, P.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Julien, L.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Kao, C. Y.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Knowles, P. E.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Kottmann, F.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Krankel, C.

Kühn, H.

Liu, Y. W.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Ludhova, L.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Moschüring, N.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Mulhauser, F.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Nebel, T.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Nez, F.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Petermann, K.

Peters, R.

Pohl, R.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Rabinowitz, P.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Raghavan, S.

S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

Schuhmann, K.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Schwob, C.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Siegman, A. E.

A. E. Siegman, Lasers (University Science, 1986), section 13.8.

Taqqu, D.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

Thomas, J. E.

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

Toci, G.

G. Toci, Appl. Phys. B 106, 63 (2012).
[CrossRef]

Walsh, B. M.

N. P. Barnes and B. M. Walsh, IEEE J. Quantum Electron. 35, 101 (1999).
[CrossRef]

Wei, T. H.

Wu, Y. H.

Appl. Phys. B

G. Toci, Appl. Phys. B 106, 63 (2012).
[CrossRef]

Appl. Spectroscopy

S. Raghavan, P. K. Imbrie, and W. A. Crossley, Appl. Spectroscopy 62, 759 (2008).

IEEE J. Quantum Electron.

A. Antognini, K. Schuhmann, F. D. Amaro, F. Biraben, A. Dax, A. Giesen, T. Graf, T. W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, C. Y. Kao, P. E. Knowles, F. Kottmann, E. L. Bigot, Y. W. Liu, L. Ludhova, N. Moschüring, F. Mulhauser, T. Nebel, F. Nez, P. Rabinowitz, C. Schwob, D. Taqqu, and R. Pohl, IEEE J. Quantum Electron. 45, 993 (2009).
[CrossRef]

N. P. Barnes and B. M. Walsh, IEEE J. Quantum Electron. 35, 101 (1999).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. B

S. Guy, Phys. Rev. B 73, 144101 (2006).

Phys. Rev. Lett.

D. J. Heinzen and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 59, 2623 (1987).
[CrossRef]

D. J. Heinzen, J. J. Childs, J. E. Thomas, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 58, 1320 (1987).
[CrossRef]

Other

Wikipedia, “Amplified spontaneous emission,” http://en.wikipedia.org/wiki/Amplified_spontaneous_emission .

A. E. Siegman, Lasers (University Science, 1986), section 13.8.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (6)

Fig. 1.
Fig. 1.

Experimental apparatus for observing the cavity-sensitive ASE. FL, focal lens; OC, output coupler; Ape, aperture; L, lens; LF, laser line filter; OSC, oscilloscope.

Fig. 2.
Fig. 2.

Experimental fluorescence power (squares) and fitted lifetime (circles) using single exponential decay as a function of the cavity length in the axial direction for Pabs=1mW. The error bar is for the maximal and minimal data.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Experimental axial fluorescence decay curves (black) for L=75.0mm (upper), 75.3 mm (middle), and 75.5 mm (lower) as Pabs=22mW and the numerically solved theoretical decay curves (pink on line) of ND2. The insets are the fitted curves for the measured curve of L=75.5mm using single (dashed) and double (solid) exponential decay functions. (b) Two fitted lifetimes and their amplitude ratio in (a) for experiments (solid) and simulations (open). (c) s versus L as σem=2.5×1020cm2,a=1mm, and Pinc the same as in Fig. 4.

Fig. 4.
Fig. 4.

Experimental fluorescence output power in the axial direction (the lowest) for Pabs=32mW and the open side for Pabs=32, 5, and 1 mW. The right inset is the expansion of the power bump, in which the dashed line is for guiding the readers. The left inset is the numerical ND22s and ND22/50 versus s for Pinc=2Pth with Pth being the population inversion pump power that makes ND1=ND2=Nt/2 without ASE effect.

Fig. 5.
Fig. 5.

Fluorescence spectrum in the axial direction for L=75.0mm (lower) and 75.5 mm (upper).

Fig. 6.
Fig. 6.

Transverse pattern of fluorescence in the axial direction at the distance of 30 cm to the ruby crystal with the cavity length at the power bump.

Equations (9)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

dN2dt=004π0V0N2τ2exp(σeN2zs)G(ν)dνdVdΩ4πV0+Rp,
dN2/dtN2/τ2σemsN22/τ2+Rp,
s=04π0V0zsdΩdV/4πV0.
da=04π0V0zadΩdV/4πV0.
dND3dt=RpND3τ31ND3τ32,
dND2dt=ND3τ32ND2τ21ND22τ21σems+ND2τ21σabND1a1+σabND1a+NU2τ21σabND1b1+σabND1b,
dND1dt=Rp+ND3τ31+ND2τ21+ND22τ21σemsND2τ21σabND1a1+σabND1aNU2τ21σabND1b1+σabND1b,
dNU2dt=NU2τ21+NU2τ21(σabNU1c11+σabNU1c1+σabNU1c21+σabNU1c2)+ND2τ21σabNU1d1+σabNU1d,
dNU1dt=NU2τ21NU2τ21(σabNU1c11+σabNU1c1+σabNU1c21+σabNU1c2)ND2τ21σabNU1d1+σabNU1d,

Metrics