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Nonequilibrium Bose condensation in a pumped dye-filled photonic cavity
Vlaho, Martina
An effectively two-dimensional photon gas trapped in a dye-filled microcavity can undergo thermalization and equilibrium-like Bose-Einstein condensation. However, given the inherently driven-dissipative nature of this system, it can exhibit a complex interplay between the thermalizing influence of the environment given by the dye solution and the pump and loss processes driving the system out of equilibrium. We first consider a homogeneously pumped photon gas and investigate how its steady state is affected when varying the pump power, the cavity lifetime and the cutoff frequency. Depending on the parameter regime, the selection ofmodes that acquire large occupation can be related either to lasing of (typically multiple) modes or to a quasiequilibrium condensation in the ground state.
We calculate and explain the phase diagram of the system, with a particular emphasis on the role played by mode competition that occurs in the regime of weak cavity loss. We then consider the case where the system is driven asymmetrically (by a relatively narrow off-centered pump beam) and find that it features a robust and controllable mechanism for two-mode emission. Namely, after the system starts lasing in the dominantly pumped excited mode, in a second transition a photon condensate is formed in the ground mode, when the pump power is increased further. This effect is a consequence of the redistribution of excited dye molecules via the lasing mode in combination with thermalization. We demonstrate how this effect can be controlled further by tailoring the effective transverse potential for the photons. This allows for the threshold pump power to be tuned by orders of magnitude. For this scenario we formulate a simplified, analytically solvable model which gives a very good agreement, both qualitative and quantitative,with the full original model.
Ein effektiv zweidimensionales Photonengas, das in einem farbstoffgefüllten Mikroresonator eingeschlossen ist, kann Thermalisieren und einen Zustand annehmen, welcher Ähnlichkeit mit einem Bose-Einstein-Kondensat im Gleichgewicht aufweist. Angesichts der inhärent angetriebenen und dissipativen Natur dieses Systems kann sich jedoch auch ein kompliziertes Wechselspiel zwischen dem thermalisierenden Einfluss der durch die Farbstofflösung gegebenen Umgebung einerseits und andererseits den Pump- und Verlustprozessen ergeben, welches das System aus dem Gleichgewicht bringt. Wir betrachten zunächst ein homogen gepumptes Photonengas und untersuchen, wie sein stationärer Zustand beeinflusst wird, wenn die Pumpleistung, die Resonatorlebensdauer und die Grenzfrequenz variiert werden. Abhängig vom Parameterregime kann die Auswahl von Moden, die eine große Besetzung annehmen, entweder mit dem “Lasern" von (typischerweise mehreren) Moden oder mit einer Quasigleichgewichtskondensation im Grundzustand zusammenhängen.
Wir berechnen und erklären das Phasendiagramm des Systems, mit besonderem Schwerpunkt auf der Rolle des Wettbewerbs zwischen den Moden, welcher im Regime schwacher Resonatorverluste auftritt. Wir betrachten ferner den Fall, in dem das System asymmetrisch angetrieben wird (durch einen relativ schmalen vom Zentrum versetzten Pumpstrahl) und finden einen robusten Mechanismus für die Kontrolle von Zweimodenemission. Nachdem nämlich das System in der dominant gepumpten angeregten Mode zu lasern beginnt, wird in einem zweiten Übergang ein Photonenkondensat im Grundzustand gebildet, wenn die Pumpleistung weiter erhöht wird. Dieser Effekt ist eine Folge der Umverteilung angeregter Farbstoffmoleküle über die Lasermode in Kombination mit farbstoffinduzierter Thermalisierung. Wir demonstrieren,wie dieser Effekt weiter kontrolliert werden kann, indem das transversale effektive Potential für die Photonen angepasst wird. Dies erlaubt es die Schwellenpumpleistung um mehrere Größenordnungen zu kontrollieren. Für dieses Szenario formulieren wir ein vereinfachtes, analytisch lösbares Modell, das sowohl qualitativ als auch quantitativ eine sehr gute Übereinstimmung mit dem vollständigen Originalmodell ergibt.
