JP3576833B2 - Functional element - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体における量子干渉効果に立脚した、光変調素子や反転分布無しで動作するＬＷＩ（ｌａｓｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）レーザー素子などの機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、吸収や発光など本来固有と考えられていた物質の光学特性を、量子力学的な干渉効果を用いて変調する研究が活発化している。量子干渉効果は、図１に模式的に示すように、物質中の２準位に複数の光学遷移が有るような場合に、各遷移を同時に励起すると吸収や発光が強め合ったり弱め合ったりする現象を指している。
【０００３】
この量子干渉効果が関わる光物性現象としては、例えば強い吸収を示すはずの波長領域においても物質中を光が吸収されずに透過してしまうｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ（略してＥＩＴ；Ｋ．−Ｊ．Ｂｏｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６６， ２５９３（１９９１））、反転分布無しでもレーザー発振が可能なｌａｓｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ（略してＬＷＩ；Ｓ．Ｅ．Ｈａｒｒｉｓ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６２， １０３３（１９８９））、物質の屈折率を非常に大きくすることが可能なｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ（Ｍ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌｙ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６７， １８５５（１９９１））、励起光が照射しているにも拘わらずある特定準位に電子を閉じ込めてしまうｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇ（Ｅ．Ａｒｉｍｏｎｄｏ ｅｔ ａｌ．， Ｌｅｔｔ． Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎｔｏ １７， ３３３（１９７６））などが知られている。
【０００４】
これらはサイエンスとして新奇性や意外性があるばかりでなく、テクノロジーとしても応用価値に富んだ魅力溢れる現象であるため、量子干渉効果を応用した光変調素子やＬＷＩレーザーなど各種光素子の研究開発が積極的に推し進められている。
【０００５】
量子干渉効果を人為的に引き起こす方法としては、２つの方法が知られている。その１つが先に挙げたＥＩＴである。ＥＩＴはもともと原子ガスにレーザー光を照射した際に見出された現象（この当時はまだＥＩＴとは呼ばず、ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇと呼ばれていた）。
【０００６】
なお、ＥＩＴはスペクトルに着目した場合、ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇは電子分布に着目した場合の名称で、もともとは同じ現象：Ｇ．Ａｌｚｅｔｔａ ｅｔ ａｌ．， Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎｔｏ Ｂ３６， ５（１９７６））で、１９７６年の発見以来様々な原子ガス系で同様な現象が確認されている（例えば、Ｈ．Ｒ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３， ２１８（１９７８）；Ｍ．Ｋａｉｖｏｌａ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ． ４９， ４１８（１９８４）；Ａ．Ａｓｐｅｃｔ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６１， ８２６（１９８８）；Ｓ．Ａｄａｃｈｉ． ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ． ８１， ３６４（１９９１）；Ａ．Ｍ．Ａｋｕｌｓｉｎ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ． ８４， １３９（１９９１）；Ｙ．−Ｑ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ５１， Ｒ１７５４（１９９５）；Ａ．Ｋａｓａｐｉ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７４， ２４４７（１９９５））。
【０００７】
もう１つはｒｅｓｏｎａｎｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｂｅａｔ（略してＲＱＢ；この方法はまだ新しく、正式名称は無いようである。提案者であるＭ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌｙは論文中に“ｑｕａｎｔｕｍ ｂｅａｔ”という表現を用いているが別の現象と混同する恐れがあるため仮にこの様な名称とした：Ｍ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌｙ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６２， ２８１３（１９８９））である。
【０００８】
ＲＱＢは理論が先行していたが、最近になってやはり原子ガス系を対象に量子干渉効果が確認されている（例えば理論に関しては、Ｊ．Ａ．Ｂｅｒｇｏｕ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ４３， ４８８９（１９９１）；Ｆ．Ｌ．Ｋｉｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ５１， １６４４ （１９９５）；Ｍ．Ａ．Ｇ．Ｍａｒｔｉｎｅｚ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ５５， ４４８３（１９９７）；Ｐ．Ｂｏｇａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ５６， １０１２（１９９７）；また実験に関しては、Ｎ．Ｐｈ．Ｇｅｏｒｇｉａｄｅｓ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．２１， １６８８（１９９６）；Ｎ．Ｐｈ．Ｇｅｏｒｇｉａｄｅｓ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ５５， Ｒ１６０５（１９９７）；Ｄ．Ｖ．Ｋｏｓａｃｈｉｏｖ． Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ． １４１， ３５（１９９７））。
【０００９】
ＥＩＴとＲＱＢはともにＬＷＩレーザーを構成することが可能であるが、この様子を原子を用いて説明する。まず、ＥＩＴから説明する。図２は、原子ガスのエネルギー準位と入射光を模式的に示す図である。対象となる系は、基本的に３つの準位（準位１，準位２，準位３）と２本のコヒーレント光（光１，光２）とから構成されている。
【００１０】
準位と光の組み合わせから３通りのスキームが存在し、図２（ａ）のように一番上の準位１を共通準位として２本の光で励起する場合をΛ型励起、図２（ｂ）のように基底準位３が共通準位となる場合をＶ型励起、そして図２（ｃ）のように真ん中の準位２が共通準位となる場合をΞ型励起と呼ぶことにする。
【００１１】
今、３準位をΛ型励起する場合を考える。この系で量子干渉効果を引き起こすには、光励起を行わない準位２・３間は光学的に禁制で、さらに緩和速度はゼロであることが求められる（準位２は準安定状態）。ＥＩＴで量子干渉効果を引き起こすには２つの条件を満足する必要があるが、これはそのうちの１つで遷移確率・緩和に関する量子干渉条件として知られている。
【００１２】
ここで、光１の光子エネルギーω_１ が準位１・２間のエネルギーω_１２に一致する条件：δω_１ ＝ω_１ −ω_１２＝０において、光２の光子エネルギーω_２ を変化させながらその光吸収スペクトルを調べた場合を考える。
【００１３】
図３（ａ）はこの様な条件下における光２の光吸収スペクトルを示す。なお、横軸のδω_２ は光２の光子エネルギーωと準位１・３間のエネルギーω_１３との離調：δω_２ ＝ω_２ −ω_１３で整理し直している。
【００１４】
図に示すように、本来単一ピークを示すはずのスペクトルには、δω_２ ＝０ （＝δω_１ ）で吸収の孔、すなわち透明領域が生ずる。このδω_１ ＝δω_２ がＥＩＴスキームでの２つ目の量子干渉条件、すなわち離調に関する条件である。
【００１５】
この時の孔の幅は光１，２のラビ周波数をそれぞれΩ_１ 、Ω_２ とすると、Ω〜（Ω_１ ^２ −Ω_２ ^{２ ）１／２}となる。
【００１６】
なお、ラビ周波数Ω_１２、Ω_１３は、準位１・２間、準位１・３間の電気双極子モーメントμ_１２、μ_１３、光１，２の電場強度Ｅ_１ 、Ｅ_２ 、プランク定数ｈを用いると、それぞれΩ_１ ＝２πμ_１２Ｅ_１ ／ ｈ、Ω_２ ＝２πμ_１３Ｅ_２ ／ ｈで定義される光と物質との間の相互作用の強さを表す量である。
【００１７】
次に、図３（ｂ）は、δω_１ ＝δω_２ ＝０の状態に光１の光子エネルギーを固定した場合の光２の光吸収スペクトルを示す。
【００１８】
図に示すように、δω_１ ＝δω_２ となる吸収の裾の領域には、やはり光２が吸収されない透明領域が形成される。この場合の孔の幅Ωは、Ω〜（Ω_１ ^２ −Ω_２ ^２ ＋δω_２ ^２ ）^１／２ となる。
【００１９】
このように、ＥＩＴでは、δω_１ ＝δω_２ を満足する２本の光を入れると、強い吸収を示すはずの波長領域でも光が全く吸収されなくなる。吸収が消える物理的な起源に関しては、ｄｒｅｓｓｅｄ−ｓｔａｔｅ描像から説明することができる。
【００２０】
図４は、準位１・２間に光１が作用した際に原子の固有状態が変化する様子を示す。図４（ａ）は何も作用していない原子（ｂａｒｅ−ａｔｏｍ）を、図４ （ｂ）は光１が作用した原子（ｄｒｅｓｓｅｄ−ａｔｏｍ）のエネルギー準位をそれぞれ示す。
【００２１】
光１が作用した原子では、一番上の準位１はｄｒｅｓｓｅｄ−ｓｔａｔｅと呼ばれる近接２準位ペアに***する。この近接２準位ペアは基底状態である準位３から１本の光（光２）で同時に励起することが可能である。
【００２２】
光２の吸収の消失は、準位３から近接２準位ペアへの２つの遷移が干渉するために生ずると考えれば良い。これは、相殺的な干渉効果である。この相殺的な干渉効果は他のＶ型励起やΞ型励起でも起こすことが可能である。どの励起タイプにおいても、スペクトル中に透明領域が形成される様子は密度行列の解析などから得られた理論曲線と良く一致することが示されている。
【００２３】
このＥＩＴを基盤とするＬＷＩも、先と同様に準位と光の組み合わせに関係してΛ型、Ｖ型、Ξ型励起と３つのスキームがある。ここでもやはりΛ型励起の場合に注目する。
【００２４】
図５は、原子ガスのエネルギー準位と入射光を模式的に示したものである。ここで新たに付け加えられた光３は、基底準位から励起準位へ電子をポンピングするためのインコヒーレント光である。
【００２５】
今、系に入射するコヒーレントな光１，２が離調に関する干渉条件を満たし、原子ガスは光２を吸収しない量子干渉状態にあるものとする。ここにインコヒーレントな光３を照射した場合、この光３は系により吸収される。これは、インコヒーレント光に対してはＥＩＴによる干渉効果は働かず、準位３から準位１は透明にならないためである。直感的にはインコヒーレント光のスペクトル幅は広く、量子干渉による透明領域の幅を超えてスペクトルが分布しているためと考えれば良い。
【００２６】
ＥＩＴでは発光に関しては干渉効果は働かない。すなわち、量子干渉状態にある準位１・３間の遷移は吸収・発光特性に非対称性があり、特に透明領域では発光のみが可能になる。
【００２７】
このため、光３により準位１に励起された電子は、光２により誘導放射を通して再び準位３に落ちる。このインコヒーレントな光３によるコヒーレントな光２の増幅は、上準位である準位１のポピュレーションが下準位である準位３のポピュレーションよりも小さい場合、すなわち反転分布無しでも起きることから、新しいレーザー発振の原理として注目されている。
【００２８】
ＬＷＩレーザーを構成するには、系を共振器中に置いてコヒーレント光として光１のみを照射し、さらに基底状態から励起状態へ電子を何らかの方法でポンピングすれば良い。
【００２９】
ここで、準位１・２間を励起する光１の光子エネルギーをω_１ 、準位２・３間の遷移エネルギーをω_２３とすると、光子エネルギー（ω_１ ＋ω_２３）を中心にその近辺ではレーザー発振の利得が生じるため、コヒーレント光が発生する。反転分布無しでもレーザー発振が起きる物理的な起源に関する詳細な説明は、ＥＩＴ同様、密度行列を解析することで示すことができる。
【００３０】
以上の結果は全てΛ型励起に関するものであるが、Ｖ型、Ξ型励起の場合にもやはりＬＷＩが可能なことが密度行列の解析結果より示されている。
【００３１】
続いて、ＲＱＢによる量子干渉効果とＬＷＩについて以下に説明する。
【００３２】
ＲＱＢの場合も、ＥＩＴと同様、対象とする系は３準位系原子である。ＲＱＢがＥＩＴと異なる点は、３つの遷移全てにコヒーレントな電磁波を照射して閉じた３重励起にする点と、３準位全てに緩和過程がある場合でも量子干渉効果が発現する点である。
【００３３】
ＲＱＢの光学特性は、現時点ではＥＩＴほど良くはわかっていない。そこで、ＥＩＴと対比するために３本の電磁波のうち１本を外場として据え直して、ＲＱＢの光学特性を調べてみる。すると、図６に示すように、ＲＱＢの場合でも、Λ型、Ｖ型、Ξ型励起の３つのスキームを定義できることが分かる。
【００３４】
量子干渉効果は、例えばΛ型励起に注目すると、準位３から準位１に向かって光２による１光子遷移と、光１＋外場による２光子遷移とが干渉するために生ずると考えられている。
【００３５】
干渉が相殺的になるか相乗的になるかは、光１，２のビートと外場との間の位相θの値に大きく依存する。位相θに対する光の吸収・発光特性は、ＥＩＴの同様と同様に、密度行列の解析から求めることができる。
【００３６】
まず、系の緩和速度が外場のラビ周波数よりも大きい場合に、位相θを変えることで、Λ型３準位での吸収・発光特性にどの様な干渉効果が現れるかを説明する。
【００３７】
なお、簡単化のために、３本の電磁波は各遷移に全て共鳴しており（離調ゼロ）、また３準位とも全て同じ速さの緩和速度を有するものとする（無論、外場で励起する下２準位間の緩和が無い場合にも量子干渉効果は発現する）。
【００３８】
また、吸収は光１，２各々の単位時間当たりの吸収量の他に２本の光のトータルの単位時間当たりの吸収量についても考え、発光に関しては準位１からの単位時間当たりの発光量のみを考えるものとする。
【００３９】
図７は、緩和速度＞外場ラビ周波数の条件下において、２本の光トータルの吸収量と、準位１からの発光量を位相θに対して計算した結果である。
【００４０】
図に見られるように、吸収や発光は位相θに強く依存し、周期πで振動する。すなわち、図でθ＝π／２、３π／２の位置では吸収や発光が増えていることから相乗的な干渉が起こり、θ＝０、πではそれが減少していることから相殺的な干渉が起きていることが分かる。
【００４１】
外場のラビ周波数を［Ω_ｅｘｔ ・ｅｘｐ（ｊθ）］とすると、吸収量や発光量はいずれも同じ関数形；［Ａ＋ＢΩ_ｅｘｔ ^２ ・ｓｉｎ ^２ θ）］で表される。これらが振動するのは、外場のラビ周波数の中でインコヒーレントなポンピングやダンピング成分に対応する虚数部が効いているためである。
【００４２】
次に、外場の強度を高めてラビ周波数を大きくしていくと、吸収や発光は急速に弱まり、上で述べたような振動構造も消えて系全体が透明化していく。さらに、外場ラビ周波数＞緩和速度の条件下では、位相θの値に依存して反転分布無しでのゲインが現れる。
【００４３】
図８は、θ＝π／２、３π／２の場合のゲインの様子を模式的に示したものである。図から、位相θの値に応じてゲインを生じる遷移が入れ替わることが分かる。
【００４４】
このゲインは、上準位である準位１のポピュレーションが下準位より小さい場合でも生じる。したがって、ＲＱＢでもＬＷＩレーザーを構成することが可能になる。
【００４５】
また、光１，２の吸収量はそれぞれ関数形；（ｊΩ_１ Ω_２ ／Ω_ｅｘｔ ・ｓｉｎ θ）、−（ｊΩ_１ Ω_２ ／Ω_ｅｘｔ ・ｓｉｎ θ）で表される。したがって、θ＝０、πを除く大方の位相において、いずれかの遷移が必ずゲインを生じている。
【００４６】
さらに密度行列の計算からは、Λ型励起で見られたものと同様な吸収・発光特性が、他のＶ型励起やΞ型励起でも得られることを示すことができる。ただし、ＲＱＢで反転分布無しのゲインが生じる理由、すなわちＬＷＩが可能な理由についてはまだ良くわかっていない。
【００４７】
以上のＥＩＴとＲＱＢの説明から、量子干渉効果を固体系に取り入れれば、原理的に強い光を必要とする既存の非線形光学を利用した光変調素子に代わり微弱な光でも十分に動作する光変調素子や、短波長領域で低しきい値発振するＬＷＩレーザーの実現に道が開け、さらには量子干渉効果と電気伝導、磁性、誘電性など固体の持つ様々な物性とを組み合わせることで、従来の電子素子とは異なる新しいタイプの機能素子の創製も期待できる。
【００４８】
しかしながら、固体系へのＥＩＴやＲＱＢの適用には、以下に述べるような制約がある。
【００４９】
まず、ＥＩＴでは、特定準位間の光学遷移の干渉を利用するため、バンドを形成するような準位を用いることが困難な点である。そのため、種々の固体系の中でもエネルギーが比較的離散的な半導体量子井戸や不純物などを利用して、まず手始めにＥＩＴによる完全なゼロ吸収の実現を目指した研究が活発に行われている（例えば、Ａ．Ｉｍａｍｏｇｌｕ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． １９， １７４４（１９９４）；Ｐ．Ｊ．Ｈａｒｓｈｍａｎ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ３０， ２２９７ （１９９４）；Ｄ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ｂ１１， ２２９７（１９９４）；Ｙ．Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ４９， ４０１６（１９９４））。
【００５０】
しかしながら、現在までのところ、固体系では、原子ガス系で見られたような顕著な光変調特性は得られていない（吸収が減少したという報告は幾つかある。ただし、いずれもヘリウム温度程度の低温中での結果；Ｈ．Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７０， ３４５５（１９９７）；Ｙ．Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７９， ６４１（１９９７）；Ｂ．Ｓ．Ｈａｍ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２２， １１３８（１９９７））。
【００５１】
その原因としては、１つには固体内特有の速い緩和過程、またはもう１つにはやはり固体系特有の光学遷移の大きな不均一広がりとが挙げられる。
【００５２】
先の原理説明でも述べたように、例えばΛ型励起のＥＩＴでは真ん中の準位２と基底状態の準位３との間が光学的に禁制で、また準位２は寿命の極めて長い準安定状態であることが求められる。さらに、２本の光の離調は等しくなければならないという制約から、遷移の不均一広がりはその均一幅や光のラビ周波数よりも小さくなければならない。
【００５３】
しかし、比較的原子に近い性質を示す半導体量子井戸系や不純物系でさえ、緩和しない励起準位を１つ含んだ、不均一広がりの無い３準位系を見つけるのは極めて難しい。このことから、現状ではまだＥＩＴによる大きな光変調特性は得られていない。
【００５４】
一方、ＲＱＢについても先の原理説明から分かるように、量子干渉を実現するには、やはりエネルギーが比較的離散的な半導体量子井戸や不純物などを利用する必要がある。
【００５５】
ＥＩＴで問題となった緩和に関して見てみると、ＲＱＢでは３準位全てに緩和過程がある場合でも、量子干渉を引き起こすことができる。このため、ＲＱＢでは緩和に対する制約は比較的緩く、この点からは固体系に適したスキームといえる。
【００５６】
しかし、不均一広がりがある場合には、ＥＩＴの場合と同様、ＲＱＢでも大きな光変調特性は期待できない。
【００５７】
図９は、ＲＱＢに関する量子干渉の離調条件を示したものである。図では、図６（ａ）の光２の光子エネルギーω_２ を横軸に、光１の光子エネルギーω_１ を縦軸にとり、その２次元平面上に原子ガスのエネルギー準位をプロットしている。原子ガスの不均一幅はほぼゼロであるため、２次元平面内で原子集団は点（ω_１３，ω_１２）上に位置している。点（ω_１３，ω_１２）からその周囲に伸びた線は、量子干渉の離調条件を表している（例えば、図中、実線で示したのはδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０という離調条件。ＥＩＴでのδω_１ ＝δω_２ に相当する）。これは、例えばこの線上のどこか１点に合うように２本の光と外場の波長を選べば、原子を量子干渉状態に持って行けることを意味している。
【００５８】
この図から分かるように、３つの準位全てがバラついている固体系では、ＲＱＢでも量子干渉効果はほとんど見えなくなってしまう。
【００５９】
このような問題は、固体中のエネルギー準位の不均一広がりを原子ガスのそれと同程度にまで減らせば解決できるが、それは現状の素子作成技術では困難である。
【００６０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来、ＥＩＴやＲＱＢを用いて固体で量子干渉効果を引き起こそうとする場合、ＥＩＴでは固体中のエネルギー準位の不均一広がりと速い緩和過程に起因して、一方ＲＱＢではおもに不均一広がりに起因して十分な量子干渉特性を得ることができず、ＥＩＴやＲＱＢに立脚した実用可能な光素子を実現できなかった。
【００６１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、量子干渉効果、特に固体におけるＲＱＢに立脚した実用可能な機能素子を提供することにある。
【００６２】
【課題を解決するための手段】
［構成］
上記目的を達成するために、本願第１の発明に係る機能素子は、３準位以上のエネルギー準位構造を有する量子構造を含む固体と、前記量子構造の中から３つ準位を選び、上から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたときに、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する光照射手段と、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する外場を前記固体に印加する外場印加手段とを備えてなり、前記固体中の前記量子構造の総数をｎ個として個々の量子構造の第１の準位と第２の準位との共鳴角周波数、第１の準位と第３の準位との共鳴角周波数、第２の準位と第３の準位との共鳴角周波数をそれぞれω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） 、ω_２３（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）とし、ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の平均値をそれぞれ＜ω_１２＞、＜ω_１３＞および＜ω_２３＞とし、ｎ個全ての量子構造について前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の標準偏差をそれぞれσ_１２＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１２（ｉ） −＜ω_１２＞］ ^２ ｝^１／２ 、σ_１３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１３（ｉ） −＜ω_１３＞］^２ ｝^１／２ およびσ_２３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_２３（ｉ） −＜ω_２３＞］^２ ｝^１／２ とした場合に、σ_２３≦σ_１２、かつσ_２３≦σ_１３を満足することを特徴とする。
【００６３】
ここで、外場とは、例えば振動電場や振動磁界、特に高周波電場や高周波磁界である（他の発明も同様）。
【００６４】
また、ωは通常角周波数を表しているが、角周波数と周波数との間には１対１の対応関係があり、周波数とエネルギーとの間には１対１の対応関係があり、そしてエネルギーと角周波数との間にも１対１の対抗関係があるので、以下の説明では、特に疑義が生じる場合を除いて、角周波数、周波数、エネルギーを表すのにω（ω_１ ，ω_１１等の添え字が付されたものも含む）を用いる。
【００６５】
次に本願第２の発明に係る機能素子は、３準位以上のエネルギー準位構造を有する量子構造を含む固体と、前記量子構造の中から３つ準位を選び、上から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたときに、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する光照射手段と、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する外場を前記固体に印加する外場印加手段とを備えてなり、前記固体中の前記量子構造の総数をｎ個として個々の量子構造の第１の準位と第２の準位との共鳴角周波数、第１の準位と第３の準位との共鳴角周波数、第２の準位と第３の準位との共鳴角周波数をそれぞれω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） 、ω_２３（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）とし、ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の平均値をそれぞれ＜ω_１２＞、＜ω_１３＞および＜ω_２３＞とし、ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の標準偏差をそれぞれσ_１２＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１２（ｉ） −＜ω_１２＞］^２ ｝^１／２ 、σ_１３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１３（ｉ） −＜ω_１３＞］^２ ｝^１／２ およびσ_２３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_２３（ｉ） −＜ω_２３＞］^２ ｝^１／２ とした場合に、σ_１２≦σ_１３、かつσ_１２≦σ_２３を満足することを特徴とする。
【００６６】
次に本願第３の発明に係る機能素子は、上記本願第１の発明に係る機能素子において、前記外場印加手段が、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する際に、前記外場の位相を変えることができるものであり、この外場の位相変化により、前記固体を透過した後の前記第１および第２のコヒーレントの透過光強度、ならびに前記第１の準位からの蛍光強度が変化することを特徴とする。
【００６７】
次に本願第４の発明に係る機能素子は、上記本願第２の発明に係る機能素子において、前記外場印加手段が、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する際に、前記外場の位相を変えることができるものであり、この外場の位相変化により、前記固体を透過した後の前記第１および第２のコヒーレントの透過光強度、ならびに前記第１および第２の準位からの蛍光強度が変化することを特徴とする。
【００６８】
次に本願第５の発明に係る機能素子は、上記本願第１の発明に係る機能素子において、前記固体に一対のミラーからなる共振器を設け、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体内に共存させた状態で、前記外場印加手段により前記外場を前記固体に印加することにより、前記第１および第２のコヒーレント光の少なくとも一方をレーザー発振させることを特徴とする。
【００６９】
次に本願第６の発明に係る機能素子は、上記本願第２の発明に係る機能素子において、前記固体に一対のミラーからなる共振器を設け、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体内に共存させた状態で、前記外場印加手段により外場を前記固体に印加することにより、前記第１および第２のコヒーレント光の少なくとも一方をレーザー発振させることを特徴とする。
【００７０】
次に本願第７の発明に係る機能素子は、上記本願第１、第３、第５の発明に係る機能素子において、前記固体中に含まれる量子構造が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜９）の電子を持つ遷移金属イオン、またはｆ電子軌道にｍ個（ｍ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記遷移金属イオンの第２の準位と第３の準位が、スピン軌道相互作用、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであり、前記希土類イオンの第２の準位と第３の準位が、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであることを特徴とする。
【００７１】
ここで、前記遷移金属イオンの第２の準位と第３の準位は、より具体的には、１０^５ 〜１０^１２Ｈｚの周波数を有する電磁波で励起可能な微細構造中の２準位である。
【００７２】
そして本願第８の発明は、上記本願第２、第４、第６の発明に係る機能素子において、前記固体中に含まれる量子構造が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜９）の電子を持つ遷移金属イオン、またはｆ電子軌道にｍ個（ｍ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記遷移金属イオンの第１の準位と第２の準位が、スピン軌道相互作用、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであり、前記希土類イオンの第１の準位と第２の準位が、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであることを特徴とする。
【００７３】
ここで、前記遷移金属イオンの第１の準位と第２の準位は、より具体的には、１０^５ 〜１０^１２Ｈｚの周波数を有する電磁波で励起可能な微細構造中の２準位である。
【００７４】
また、これらの機能素子において、前記外場は例えば交流電場、交流磁場または電磁場であり、この場合には、前記外場の角周波数をω_ｅｘｔ 、前記第１のコヒーレント光の角周波数をω_１ 、前記第２のコヒーレント光の角周波数をω_２ 、任意の自然数をＮとすると、ω_２ −ω_１ ＝Ｎ・ω_ｅｘｔ の関係式を満足するように、各角周波数を設定する。
【００７５】
また、これらの機能素子（第５および第６の機能素子を除く）において、前記第１のコヒーレントおよび前記第２のコヒーレント光として、１つの同じコヒーレントなパルス光を用いることが可能であり、この場合には、パルス光の中心周波数は、前記第１のコヒーレント光の角周波数よりも大きく、かつ前記第２のコヒーレント光の角周波数よりも小さく設定し、かつ前記パルス光の持続時間は、前記第１のコヒーレント光の角周波数をω_１ 、前記第２のコヒーレント光の角周波数をω_２ とした場合に、２π／（ω_２ −ω_１ ）よりも短く設定する。
【００７６】
すなわち、本発明に係る機能素子は、固体中の３準位のうち２つの光学遷移をΛ型またはＶ型に光励起し、さらに下２準位間または上２準位間の励起に電極、電磁石、空洞共振器などを介して振動電場または振動磁場などの外場を印加する際に、外場で励起する準位間と光で励起する準位間とを比較して遷移エネルギー分布（不均一幅）の大小関係を規定したことを骨子としている。
【００７７】
後述する固体材料中の不純物において、遷移の不均一広がりの大きさは不純物に働く相互作用から見積もることが可能である。このことを固体中に分散した希土類イオンを例に説明する。
【００７８】
固体中の希土類イオンに関する代表的な相互作用としては、スピン軌道、結晶場、ｆ電子と原子核との超微細相互作用（ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、原子核の４重極子相互作用などが挙げられる。
【００７９】
次式は、これをハミルトニアン（以下では相互作用ハミルトニアンＨ_ＩＮＴ のみ扱う。裸の原子のハミルトニアンＨ_Ｏ は省略）で示したものである。
【００８０】
Ｈ_ＩＮＴ ＝Ｈ_ＳＯ＋Ｈ_ＣＦ＋Ｈ_ＨＦ＋Ｈ_Ｑ （１）
ここで、Ｈ_ＳＯ、Ｈ_ＣＦ、Ｈ_ＨＦ、Ｈ_Ｑ は、それぞれスピン軌道、結晶場、ｆ電子・核ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ、核４重極子相互作用を表すハミルトニアンである。
【００８１】
各々の相互作用の強さに依存して固体中での不純物のエネルギー準位の数や位置が決まるが、希土類イオンの場合相互作用の大きさは大体Ｈ_ＳＯ＞Ｈ_ＣＦ＞Ｈ_ＨＦ＞Ｈ_Ｑ の順となることが知られている。
【００８２】
固体特有の結晶場の項Ｈ_ＣＦは相互作用の強さとしては２番目である。したがって、固体中に出現する希土類イオンのエネルギー準位は、自由イオンのそれと大まかには一致する。
【００８３】
弱い相互作用であるＨ_ＣＦ、Ｈ_ＨＦ、Ｈ_Ｑ は、Ｈ_ＳＯにより***した各準位をさらに細かく***させる。準位***の大きさも相互作用の強さで決まるため、やはりＨ_ＣＦ＞Ｈ_ＨＦ＞Ｈ_Ｑ の順となる。
【００８４】
次に、この３つの項についてその具体的な中身を見る。まず、結晶場の項Ｈ_ＣＦは、
Ｈ_ＣＦ＝ΣΣ（−ｅＱ_ｊ ／｜ｒ_ｉ −Ｒ_ｊ ｜） （２）
で表される。
【００８５】
ここで、ｒ_ｉ ＝（ｒ _ｉ ，θ_ｉ ，φ_ｉ ）は希土類イオンのｉ番目のｆ電子の位置ベクトル、Ｒ_ｊ ＝（Ｒ _ｊ ，θ_ｊ ，φ_ｊ ）は希土類イオンを取り囲むｊ番目の配位子イオン（母体の原子イオン）の位置ベクトル、Ｑ_ｊ はこの配位子イオンの電荷を表す。
【００８６】
簡単な具体例として、図１０に示すように、ｆ電子を１個持つ希土類イオンが立方対称に配置した配位子イオン（電荷；−Ｚｅ）に囲まれた場合、すなわち立方対称の結晶場中に置かれた場合を考えると、１個のｆ電子が受けるポテンシャルエネルギーＶ_ＣＦは、希土類イオンと配位子イオンとの距離ａを用いて以下のように表すことができる。
【００８７】
Ｖ_ＣＦ＝Ａ_００＋Ａ_４０Ｄ_０ ^（４） ＋（Ａ_４４Ｄ_４ ^（４） ＋Ａ_４−４ Ｄ_−４ ^（４） ）
＋Ａ_６０Ｄ_０ ^（６） ＋（Ａ_６４Ｄ_４ ^（６） ＋Ａ_６−４ Ｄ_−４ ^（６） ）＋・・・（３）
Ａ_００＝６Ｚｅ^２ ／ａ
Ａ_４０＝７Ｚｅ^２ ／２ａ^５
Ａ_４４＝Ａ_４−４ ＝（３５）^１／２ Ｚｅ^２ ／（８）^１／２ ａ^５
Ａ_６０＝３Ｚｅ^２ ／２ａ^７
Ａ_６４＝Ａ_６−４ ＝（６３）^１／２ Ｚｅ^２ ／ （３２）^１／２ ａ^７
Ｄ_ｐ ^（ｔ） ＝Σｒ_ｉ ^ｔ Ｃ_ｐ ^（ｔ） （θ_ｉ ，φ_ｉ ）
Ｃ_ｐ ^（ｔ） （θ_ｉ ，φ_ｉ ）＝［４π／（２ｔ＋１）］^１／２ Ｙ_ｔｐ（θ，φ）
ただし、Ｙ_ｔｐ（θ，φ）は球関数である。
【００８８】
（３）式から、結晶場により***した各準位間のエネルギー差は、注目する希土類イオンと配位子イオンとの間の距離ａに強く依存することが分かる。
【００８９】
なお、より低い対称性の場合についても、結晶場により***した各準位間のエネルギー差はイオン間の距離ａに強く依存することが知られている。
【００９０】
これに対して、ｆ電子・核ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｈ_ＨＦと核４重極子相互作用Ｈ_Ｑ はそれぞれ以下のように表される。
【００９１】

ここで、Ｊは電子の全角運動量、Ｉは原子核のスピン角運動量、Ａ_Ｊ はｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇのカップリング定数、Ｐは４重極子のカップリング定数、ηは電場勾配（ＥＦＧ）の非対称性を表すパラメータで、（ｘ，ｙ，ｚ）はＥＦＧテンソルの主軸をそれぞれ表している。
【００９２】
（４）式から分かるように、ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇや４重極子相互作用により***した各準位間のエネルギー差は、先の結晶場の場合と異なり、希土類イオンと配位子イオンとの間の距離ａには基本的には依らない。
【００９３】
一般に、固体中に埋め込まれた希土類イオンの光吸収スペクトルは不均一な広がりを持つことが知られている。この不均一広がりは、ほとんどの場合希土類イオンが置かれた固体中の微視的な電場環境（要するに結晶場）が、固体中の局所的な歪みなどによりイオン毎に異なることに由来する。これは、（３）式でいうイオン間の距離ａが希土類イオン毎に揺らいでいることに他ならない。
【００９４】
したがって、固体中の希土類不純物で量子干渉効果を引き起こす場合には、Λ型励起では下２準位として、またＶ型励起では上２準位として、それぞれｆ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇや原子核の４重極子相互作用など、結晶場やスピン軌道相互作用以外の要因で***した微細構造や超微細構造の中から準位を２つ選択することにより、下２準位間あるいは上２準位間の不均一広がりを特異的に小さく抑えることができ、本願第１、第２の発明に記載した条件式を実現することが可能になる。
【００９５】
一方、固体中に遷移金属イオンを分散した系では、希土類イオンの場合と異なり、相互作用の大きさはＨ_ＣＦ＞Ｈ_ＳＯ＞Ｈ_ＨＦ＞Ｈ_Ｑ の順になる。
【００９６】
そこで、固体中の遷移金属不純物で量子干渉効果を引き起こす場合、Λ型励起では下２準位として、またＶ型励起では上２準位として、それぞれｄ電子間のスピン軌道相互作用、ｄ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ、原子核の４重極子相互作用など、結晶場以外の要因で***した微細構造や超微細構造の中から準位を２つ選択することにより、下２準位間あるいは上２準位間の不均一広がりを特異的に小さく抑えることができ、本願第１、第２の発明に記載した条件式を実現することが可能になる。
【００９７】
ここで、上述の条件を満足する固体材料には、不純物としてＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの第１次遷移金属元素、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇなどの第２次遷移金属元素、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなどの第３次遷移金属元素、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂなどのランタノイド系希土類元素、そしてＴｈ，Ｐａ，Ｕなどのアクチノイド系希土類元素を少なくとも一種類以上は含む、ＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，ＭｇＦ_２ ，ＣａＦ_２ ，ＳｒＦ_２ ，ＢａＦ_２ ，ＭｎＦ_２ ，ＺｎＦ_２ ，ＣｄＦ_２ ，ＡｌＦ_３ ，ＹＦ_３ ，ＬａＦ_３ ，ＣｅＦ_３ ，ＰｒＦ_３ ，ＮｄＦ_３ ，ＳｍＦ_３ ，ＥｕＦ_３ ，ＧｄＦ_３ ，ＴｂＦ_３ ，ＤｙＦ_３ ，ＨｏＦ_３ ，ＥｒＦ_３ ，ＴｍＦ_３ ，ＹｂＦ_３ ，ＬｕＦ_３ ，ＬｉＢａＦ_３ ，ＫＭｇＦ_３ ，ＫＭｎＦ_３ ，ＫＺｎＦ_３ ，ＫＮｉＦ_３ ，ＲｂＮｉＦ_３ ，ＺｒＦ_４ ，ＬｉＹＦ_４ ，ＮａＹＦ_４ ，ＫＹＦ_４ ，ＬｉＬａＦ_４ ，ＬｉＧｄＦ_４ ，ＬｉＬｕＦ_４ ，ＢａＡｌＦ_５ ，ＳｒＡｌＦ_５ ，Ｋ_３ ＹＦ_６ ，Ｋ_３ ＣｏＦ_６ ，Ｃｓ_３ ＮｄＦ_７ ，Ｃｓ_３ ＧｄＦ_７ ，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＲｂＣｌ，ＣｓＣｌ，ＹＣｌ_３ ，ＬａＣｌ_３ ，ＣｅＣｌ_３ ，ＰｒＣｌ_３ ，ＮｄＣｌ_３ ，ＳｍＣｌ_３ ，ＥｕＣｌ_３ ，ＧｄＣｌ_３ ，ＴｂＣｌ_３ ，ＤｙＣｌ_３ ，ＨｏＣｌ_３ ，ＥｒＣｌ_３ ，ＴｍＣｌ_３ ，ＹｂＣｌ_３ ，ＬｕＣｌ_３ ，ＣｓＭｇＣｌ_３ ，ＣｓＣｄＣｌ_３ ，ＬｉＢｒ，ＮａＢｒ，ＫＢｒ，ＲｂＢｒ，ＣｓＢｒ，ＹＢｒ_３ ，ＬａＢｒ_３ ，ＣｅＢｒ_３ ，ＰｒＢｒ_３ ，ＮｄＢｒ_３ ，ＳｍＢｒ_３ ，ＥｕＢｒ_３ ，ＧｄＢｒ_３ ，ＴｂＢｒ_３ ，ＤｙＢｒ_３ ，ＨｏＢｒ_３ ，ＥｒＢｒ_３ ，ＴｍＢｒ_３ ，ＹｂＢｒ_３ ，ＬｕＢｒ_３ ，ＣｓＭｇＢｒ_３ ，ＬｉＩ，ＮａＩ，ＫＩ，ＲｂＩ，ＣｓＩ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，ＡｇＦ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＹＯＣｌ，ＬａＯＣｌ，ＬａＯＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，ＩｎＢｒ，ＩｎＩ，Ｌｉ_２ Ｏ，ＢｅＯ，Ｎ_２ Ｏ_５ ，Ｎａ_２ Ｏ，Ｐ_２ Ｏ_３ ，Ｓ_２ Ｏ_３ ，Ｋ_２ Ｏ，ＣａＯ，Ｃｒ_２ Ｏ_３ ，ＭｎＯ_２ ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＳｒＯ，ＺｒＯ_２ ，Ｎｂ_２ Ｏ_５ ，ＭｏＯ_３ ，ＡｇＯ，Ｓｂ_２ Ｏ_３ ，ＴｅＯ_２ ，ＢａＯ，ＷＯ_３ ，Ｒｅ_２ Ｏ_７ ，ＰｂＯ，ＰｕＯ_２ ，Ｙ_２ Ｏ_３ ，Ｌａ_２ Ｏ_３ ，Ｃｅ_２ Ｏ_３ ，Ｐｒ_２ Ｏ_３ ，Ｎｄ_２ Ｏ_３ ，Ｓｍ_２ Ｏ_３ ，Ｅｕ_２ Ｏ_３ ，Ｇｄ_２ Ｏ_３ ，Ｔｂ_２ Ｏ_３ ，Ｄｙ_２ Ｏ_３ ，Ｈｏ_２ Ｏ_３ ，Ｅｒ_２ Ｏ_３ ，Ｔｍ_２ Ｏ_３ ，Ｙｂ_２ Ｏ_３ ，Ｌｕ_２ Ｏ_３ ，ＴｈＯ_２ ，ＵＯ_２ ，ＵＯ_３ ，Ｂａ_２ ＧｄＮｂＯ_５ ，ＳｒＧｄＧａ_３ Ｏ_７ ，Ｓｃ_２ Ｇｄ_３ Ｇａ_３ Ｏ_１２，ＮａＬｕＯ_１２，ＬｉＩＯ_３ ，ＬｉＮｂＯ_３ ，ＬｉＴａＯ_３ ，Ｂａ_２ ＮａＮｂ_５ Ｏ_１５，Ｙ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｌａ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｃｅ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｐｒ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｎｄ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｓｍ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｅｕ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｇｄ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｔｂ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｄｙ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｈｏ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｅｒ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｔｍ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｙｂ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｌｕ_２ Ｏ_２ Ｓ，Ｙ_２ Ｓ_３ ，Ｌａ_２ Ｓ_３ ，Ｃｅ_２ Ｓ_３ ，Ｐｒ_２ Ｓ_３ ，Ｎｄ_２ Ｓ_３ ，Ｓｍ_２ Ｓ_３ ，Ｅｕ_２ Ｓ_３ ，Ｇｄ_２ Ｓ_３ ，Ｔｂ_２ Ｓ_３ ，Ｄｙ_２ Ｓ_３ ，Ｈｏ_２ Ｓ_３ ，Ｅｒ_２ Ｓ_３ ，Ｔｍ_２ Ｓ_３ ，Ｙｂ_２ Ｓ_３ ，Ｌｕ_２ Ｓ_３ ，Ｂ_２ Ｏ_３ ，ＧａＢＯ_３ ，ＩｎＢＯ_３ ，ＴｌＢＯ_３ ，ＳｃＢＯ_３ ，ＹＢＯ_３ ，ＬａＢＯ_３ ，ＣｅＢＯ_３ ，ＰｒＢＯ_３ ，ＮｄＢＯ_３ ，ＳｍＢＯ_３ ，ＥｕＢＯ_３ ，ＧｄＢＯ_３ ，ＴｂＢＯ_３ ，ＤｙＢＯ_３ ，ＨｏＢＯ_３ ，ＥｒＢＯ_３ ，ＴｍＢＯ_３ ，ＹｂＢＯ_３ ，ＬｕＢＯ_３ ，ＣａＹＢＯ_４ ，ＢａＢ_２ Ｏ_４ ，Ｃｄ_２ Ｂ_２ Ｏ_５ ，ＬｉＢ_３ Ｏ_５ ，ＣｓＢ_３ Ｏ_５ ，ＳｒＢ_４ Ｏ_７ ，Ａｌ_３ ＴｂＢ_４ Ｏ_１２，ＺｎＯ，ＺｎＧａ_２ Ｏ_４ ，ＭｇＯ，ＭｇＧａ_２ Ｏ_４ ，Ｍｇ_２ ＴｉＯ_４ ，Ｍｇ_４ Ｔａ_２ Ｏ_９ ，ＴｉＯ_２ ，ＣａＴｉＯ_３ ，ＳｒＴｉＯ_３ ，ＢａＴｉＯ_３ ，ＰｂＴｉＯ_３ ，ＫＴｉＰＯ_５ ，Ａｌ_２ Ｏ_３ ，ＬｉＡｌＯ_２ ，ＹＡｌＯ_３ ，ＢｅＡｌ_２ Ｏ_４ ，ＭｇＡｌ_２ Ｏ_４ ，ＺｎＡｌ_２ Ｏ_４ ，ＬｉＡｌ_５ Ｏ_８ ，Ｙ_４ Ａｌ_２ Ｏ_９ ，ＹＡｌ_３ Ｂ_４ Ｏ_１２，Ｙ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｌａ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｃｅ_５ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｐｒ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｎｄ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｓｍ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｅｕ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｇｄ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｔｂ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｄｙ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｈｏ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｅｒ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｔｍ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｙｂ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，Ｌｕ_３ Ａｌ_５ Ｏ_１２，ＬａＡｌ_１１Ｏ_１８，ＣｅＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９，ＴｂＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９，ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９，ＢａＭｇ_２ Ａｌ_１６Ｏ_２７，Ｆｅ_２ Ｏ_３ ，Ｙ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｌａ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｃｅ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｐｒ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｎｄ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｓｍ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｅｕ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｇｄ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｔｂ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｄｙ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｈｏ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｅｒ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｔｍ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｙｂ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｌｕ_３ Ｆｅ_５ Ｏ_１２，Ｙ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｌａ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｃｅ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｐｒ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｎｄ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｓｍ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｅｕ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｇｄ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｔｂ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２、Ｄｙ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｈｏ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｅｒ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｔｍ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｙｂ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｌｕ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２，Ｙ_３ Ｓｃ_２ Ｇａ_５ Ｏ_１２，ＣａＰＯ_３ ，ＳｃＰＯ_４ ，ＹＰＯ_４ ，ＬａＰＯ_４ ，ＣｅＰＯ_４ ，ＰｒＰＯ_４ ， ＮｄＰＯ_４ ，ＥｕＰＯ_４ ，ＧｄＰＯ_４ ，ＴｂＯＰ_４ ，ＤｙＰＯ_４ ，ＨｏＰＯ_４ ，ＥｒＰＯ_４ ，ＴｍＰＯ_４ ，ＹｂＰＯ_４ ，ＬｕＰＯ_４ ，Ｃａ_２ ＰＯ_４ Ｃｌ，Ｍｇ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｃａ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｓｒ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｂａ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｚｎ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｃｄ_３ （ＰＯ_４ ）_２ ，Ｍｇ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｍｇ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｃａ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｃａ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｓｒ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｓｒ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｂａ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｂａ_５ （ＰＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｓｒ_２ Ｐ_２ Ｏ_７ ，ＮｄＰ_５ Ｏ_１４，ＳｉＯ_２ ，ＢｅＳｉＯ_３ ，ＭｇＳｉＯ_３ ，ＣａＳｉＯ_３ ，ＳｒＳｉＯ_３ ，ＢａＳｉＯ_３ ，ＺｎＳｉＯ_３ ，ＣｄＳｉＯ_３ ，Ｚｎ_２ ＳｉＯ_４ ，ＮａＹＳｉＯ_４ ，Ｙ_２ ＳｉＯ_５ ，Ｌａ_２ ＳｉＯ_５ ，Ｌｕ_２ ＳｉＯ_５ ，ＢｅＳｉ_２ Ｏ_５ ，ＭｇＳｉ_２ Ｏ_５ ，ＣａＳｉ_２ Ｏ_５ ，ＳｒＳｉ_２ Ｏ_５ ，ＢａＳｉ_２ Ｏ_５ ，Ｓｃ_２ Ｓｉ_２ Ｏ_７ ，Ｂｅ_２ ＳｒＳｉ_２ Ｏ_７ ，Ｃａ_２ ＭｇＳｉ_２ Ｏ_７ ，Ｓｉ_３ Ｎ_４ ，ＧｅＯ_２ ，Ｚｎ_２ ＧｅＯ_４ ，Ｃｓ_２ ＵＯ_２ Ｆ_４ ，Ｃｓ_２ ＵＯ_２ Ｃｌ_４ ，Ｃｓ_２ ＵＯ_２ Ｂｒ_４ ，Ｃｓ_３ ＵＯ_２ Ｆ_５ ，Ｃｓ_３ ＵＯ_２ Ｃｌ_５ ，Ｃｓ_３ ＵＯ_２ Ｂｒ_５ ，ＭｇＷＯ_４ ，ＣａＷＯ_４ ，ＳｒＷＯ_４ ，ＢａＷＯ_４ ，ＡｌＷＯ_４ ，ＣｄＷＯ_４ ，ＰｂＷＯ_４ ，Ｙ_２ ＷＯ_６ ，ＭｇＭｏＯ_４ ，ＣａＭｏＯ_４ ，ＳｒＭｏＯ_４ ，ＢａＭｏＯ_４ ，Ｌｉ_２ ＭｏＯ_４ ，Ｙ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｌａ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｃｅ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｐｒ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｎｄ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｓｍ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｅｕ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｇｄ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｔｂ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｄｙ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｈｏ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｅｒ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｔｍ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｙｂ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，Ｌｕ_２ Ｍｏ_３ Ｏ_１２，ＮａＣａＶＯ_４ ，ＳｃＶＯ_４ ，ＹＶＯ_４ ，Ｍｇ_３ （ＶＯ_４
）_２ ，Ｃａ_３ （ＶＯ_４ ）_２ ，Ｓｒ_３ （ＶＯ_４ ）_２ ，Ｂａ_３ （ＶＯ_４ ）_２ ，Ｚｎ_３ （ＶＯ_４ ）_２ ，Ｃｄ_３ （ＶＯ_４ ）_２ ，Ｍｇ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｍｇ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｃａ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｃａ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｓｒ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｓｒ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｃｌ，Ｂａ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｆ，Ｂａ_５ （ＶＯ_４ ）_３ Ｃｌ，ＣａＳ，ＳｒＳ，ＢａＳ，ＣａＳｅ，ＢａＳｅや、その他フッ化物・ハロゲン化物・臭化物・ヨウ化物・ハロゲン化銅・ハロゲン化銀・酸ハロゲン化物・タリウム化合物・インジウム化合物、ホウ酸塩・亜鉛酸化物・マグネシウム酸化物・チタニウム酸化物・アルミン酸塩・ガーネット・ケイ酸塩・ゲルマニウム酸塩・イットニウム化合物・ランタン化合物・セリウム化合物・プラセオジウム化合物・ネオジウム化合物・サマリウム化合物・ユーロピウム化合物・ガドリウム化合物・テルビウム化合物・ジスプロシウム化合物・ホルミウム化合物・エルビウム化合物・ツリウム化合物・イッテルビウム化合物・ルテチウム化合物・ウライ化合物・リン酸塩・シェーレ化合物・硫化物・セレン化物などの絶縁性無機材料を用いることができる。
【００９８】
これに加えて、上記の遷移金属元素や希土類元素を不純物として少なくとも一種類以上含む、ダイアモンド、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，Ｇａ４，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＢＡｓ，ＢＰ，ＢＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，Ｃｕ_２ Ｏ，ＳｎＯ_２ ，Ｉｎ_２ Ｏ_３ などの半導体あるいは半絶縁性材料を用いることもできる。
【００９９】
なお、上記材料中において遷移金属元素や希土類元素は通常イオンの状態で存在するが、その価数は特に限定されない。
【０１００】
さらに、半導体素子作製技術が向上し、エネルギー準位の不均一さが原子ガスのそれと同程度のレベルにまで低減した場合には、超格子や量子細線、量子ドットなどの半導体量子構造を用いることも可能である。
【０１０１】
また、本発明において光励起される遷移としては、第１次遷移金属イオンを励起する場合にはこのイオンの３ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、第２次遷移金属イオンを励起する場合には４ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、第２次遷移金属イオンを励起する場合には５ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、ランタノイド系希土類イオンを励起する場合には４ｆ，５ｄ準位が関与するｆ→ｆ遷移やｆ→ｄ遷移、アクチノイド系希土類イオンを励起する場合には５ｆ準位が関与するｆ→ｆ遷移がそれぞれ用いられる。
【０１０２】
さらに、光源にはコヒーレント光、すなわちレーザー光が用いられる。上述の遷移と波長が合えばレーザーの種類は特に限定されないが、小型素子の形成に有利な半導体レーザーを用いることが望ましい。
【０１０３】
また、外場として振動電場を用いる場合には、やはり小型素子の形成に有利な一対の電極を介して固体に電場を印加することが望ましい。さらに外場として振動磁場を用いる場合には、一対の電磁石、あるいはレーザー光を通す微少な孔の開いた空洞共振器を介して固体に磁場を印加することが望ましい。
【０１０４】
［作用］
上述のような構成を採用したことにより、本発明の機能素子ではたとえ不均一広がりの大きい固体においてもＲＱＢによる巨大な量子干渉効果を得ることが可能になる。以下、図面を参照してこの点について詳細に説明する。
【０１０５】
従来技術の説明のところで、固体においてＲＱＢを実現するにはバンドを形成するような準位を用いることは困難で、原子ガス同様、離散的な準位を持つ系を選ぶ必要があることを述べた。
【０１０６】
固体への適用条件としてはこの他に、準位構成が単純で３準位系を設定可能であること、また励起過程の中で電子が３準位の外に逃げない閉じた系であることなどが挙げられる。
【０１０７】
これより、本機能素子に用いる固体の候補としては、結晶中に分散された希土類イオンや遷移金属イオンなどの不純物原子系や、上述した半導体量子井戸に加えて同じく半導体量子細線、量子ドットが考えられる。
【０１０８】
エネルギー準位にこの様な特徴を持つ固体は、一種の擬原子の集まりと見なすことができる。しかし、これら擬原子系では、現在のところ原子ガスで見られたような顕著な光学遷移の変調には成功していない。
【０１０９】
これは、擬原子系のエネルギー準位が原子ガス系と比較して不均一に広がっており、ＲＱＢを引き起こす鍵であるδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０（これはＲＱＢの離調条件の１つ。図９では実線で示している。なお、Λ型とＶ型では離調条件は同じ）を満足する擬原子数が著しく少ないことに起因する。
【０１１０】
このことから、固体でＲＱＢを実現するには、先に挙げた適用条件の他に、さらにエネルギー準位の均一さに関する条件が加わることが理解される。
【０１１１】
図１１は、離散的なエネルギー準位を持つ擬原子系の固体について、光吸収スペクトルを模式的に表したものである。
【０１１２】
一般に、離散的な準位を持つ擬原子系の固体を選択しても、光吸収スペクトルの線幅は原子ガスと比較してかなり広くなる。この広いスペクトル線幅は、多くの場合不均一広がりに由来する。
【０１１３】
不均一広がりは、図に示すように、エネルギー準位が個々の原子で少しずつずれているが、それが完全に分解できる程度には離れていないため、多数の擬原子のスペクトルが重なり合って広がった１本のスペクトル線として見える場合を示す。
【０１１４】
この広がりはおもに、固体内、特に結晶内の歪みなどにより結晶内の個々の擬原子が受ける結晶場の大きさがバラつくため、結果として擬原子全体で見た場合に準位間エネルギーが分散していることに起因する。先に挙げた全ての擬原子系に関しても、程度の差こそあれ不均一広がりは存在する。
【０１１５】
図１２は、擬原子の中から３つの遷移全ての不均一幅が大きい３準位系を選び出し、図７に示した１原子の場合と同様に、緩和速度＞外場ラビ周波数の条件下で２本の光と１本の外場を照射した際の、外場の位相に対する２本の光の単位時間当たりの吸収量と発光量とを模式的に表したものである。
【０１１６】
図から、周期πの振動構造は観測されず、光学遷移はほとんど変調されていないことが分かる。これより、不均一広がりを十分に考慮した上で励起を行う準位を選ばなければ、どの擬原子系においてもＲＱＢを実現することはできない。
【０１１７】
以下では、ＲＱＢに基づく吸収や発光などの変調特性が、擬原子系の準位間エネルギーの分布特性、特に準位間エネルギーの標準偏差に依存してどの様に変化するかを、Λ型、Ｖ型励起それぞれの場合について示す。
【０１１８】
なお、ここでは不均一幅を表す典型的な量として準位間エネルギーの標準偏差を用いる。
【０１１９】
（１）Λ型励起の場合
まず、２個の擬原子ｉ，ｊについて考える。準位１・２間、準位１・３間、準位２・３間に光子エネルギーω_１ 、ω_２ 、ω_ｅｘｔ という３本のコヒーレントな電磁波が照射する状況を考える。ただし、ω_２ ＝ω_１ ＋ω_ｅｘｔ とする。
【０１２０】
ここで、光子エネルギーω_１ 、ω_２ 、ω_ｅｘｔ と準位間エネルギーω_１２、ω_１３、ω_２３との差をそれぞれδω_１ ＝ω_１ −ω_１２、δω_２ ＝ω_２ −ω_１３、δω_ｅｘｔ ＝ω_ｅｘｔ −ω_２３とすると、この２つの擬原子が同時にδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０を満たす条件は、
ω_２３（ｉ） ＝ω_２３（ｊ） （５）
となる。
【０１２１】
つまり、２個の擬原子で同時にδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０を満足させて完全な量子干渉状態を引き起こすには、一番上の準位１のエネルギー位置には依存せず、下２準位間の準位間エネルギーω_２３が２個の擬原子で等しいことが条件となる。
【０１２２】
擬原子間の準位間エネルギーの差をδω_１２＝｜ω_１２（ｉ） −ω_１２（ｊ） ｜、δω_１３＝｜ω_１３（ｉ） −ω_１３（ｊ） ｜、δω_２３＝｜ω_２３（ｉ） −ω_２３（ｊ） ｜とすると、
δω_２３＝０ （６）
が得られる。
【０１２３】
（６）式は、量子干渉の厳密な条件である。しかし、実際には、上式のような完全な条件ではないδω_２３≠０の場合でも、量子干渉状態を作り出すことができる。
【０１２４】
具体的にはδω_２３が外場のラビ周波数Ω_ｅｘｔ と同程度か、それよりも小さければ、量子干渉を引き起こすことができる。このことから、２個の擬原子を含む系をΛ型励起した場合、δω_２３が次の条件式、
δω_２３≦Ω_ｅｘｔ （７）
を満足することが、光変調特性の向上に著しく寄与する。
【０１２５】
次に、ｎ個の擬原子で同時に量子干渉状態を実現するための条件を考える。
【０１２６】
ｎ個の擬原子が同時にδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０を満たす条件は、厳密には、
ω_２３（１） ＝ω_２３（２） ＝……＝ω_２３（ｎ） （８）
である。
【０１２７】
ｎ個の擬原子で同時に量子干渉状態を引き起こすためには、やはり一番上の準位１のエネルギー準位には依存せず、下２準位間の準位間エネルギーω_２３がｎ個の擬原子で等しいことが条件となる。しかし、この場合にも（８）式が厳密に成立しなくとも、以下のような条件が成り立てば量子干渉状態を作り出すことができる。
【０１２８】
ここで、ｎ個の擬原子に関する各準位間エネルギーの平均値を＜ω_１２＞、＜ω_１３＞、＜ω_２３＞として、各準位間エネルギーの標準偏差、
σ_１２＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１２（ｉ） −＜ω_１２＞^］２｝^１／２ （９ａ）
σ_１３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１３（ｉ） −＜ω_１３＞^］２｝^１／２ （９ｂ）
σ_２３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_２３（ｉ） −＜ω_２３＞^］２｝^１／２ （９ｃ）
を導入する。
【０１２９】
外場のラビ周波数Ω_ｅｘｔ と標準偏差σ_１２、σ_１３、σ_２３との関係については、ラビ周波数が量子干渉状態を引き起こすエネルギー幅、σ_１２、σ_１３が各々の遷移のスペクトル線幅に対応することから、Ω_ｅｘｔ ≦σ_１２、Ω_ｅｘｔ ≦σ_１３がそれぞれ成立する。
【０１３０】
この式と（７）、（８）式とから、ｎ個全ての擬原子が量子干渉状態におかれる実効的な条件は、
σ_２３≦σ_１２ （１０ａ）
σ_２３≦σ_１３ （１０ｂ）
で与えられる。
【０１３１】
図１３は、多数の擬原子で同時に量子干渉を実現するための条件を模式的に表したものである。
【０１３２】
なお、図の縦軸と横軸は光１，２の光子エネルギーω_１ 、ω_２ で、この２次元平面上にプロットしてある各点は個々の擬原子のエネルギー位置（ω_１２（ｎ） ，ω_１３（ｎ） ）を表している。
【０１３３】
図１３に示すように、全擬原子でω_２３の不均一幅が小さく、この２次元平面上で４５度ライン上に沿って分布するような場合、３本の電磁波と相互作用する擬原子は全て量子干渉状態に持っていくことができる。
【０１３４】
この様に、固体においてΛ型励起でＲＱＢを実現するには、準位２・３間の不均一広がりが小さい系を選択することが不可欠である。
【０１３５】
ここで、課題を解決するための手段のところでも述べたように、希土類イオンではｆ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇや原子核の４重極子相互作用など、結晶場やスピン軌道相互作用以外の要因で***した微細構造中（さらには超微細構造中）の２準位間、また遷移金属イオンではｄ電子間のスピン軌道相互作用、ｄ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ、原子核の４重極子相互作用など、結晶場以外の要因で***した微細構造中や超微細構造中の２準位間において、遷移の不均一広がりが特異的に小さくなることが知られている。
【０１３６】
したがって、相互作用の中身を考察することで、不均一広がりの分布に関する情報を得ることができる希土類イオンや、遷移金属イオンを含む固体材料を用いることにより、初めてΛ型励起に相応しい３つの準位を設定することが可能になる。
【０１３７】
（２）Ｖ型励起の場合
まず、２個の擬原子ｐ，ｑについて考える。準位１・２間、準位１・３間、準位２・３間に光子エネルギーω_ｅｘｔ 、ω_２ 、ω_１ という３本のコヒーレントな電磁波が照射する状況を考える。ただし、ω_２ ＝ω_１ ＋ω_ｅｘｔ とする。
【０１３８】
ここで、光子エネルギーω_ｅｘｔ 、ω_２ 、ω_１ と準位間エネルギーω_１２、ω_１３、ω_２３との差をそれぞれδω_ｅｘｔ ＝ω_ｅｘｔ −ω_１２、δω_２ ＝ω_２ −ω_１３、δω_１ ＝ω_１ −ω_２３とすると、この２つの擬原子が同時にδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０を満たす条件は、
ω_１２（ｐ） ＝ω_１２（ｑ） （１１）
となる。
【０１３９】
つまり、２個の擬原子で同時にδω_１ ＝δω_２ 、δω_ｅｘｔ ＝０を満足させて完全な量子干渉状態を引き起こすには、一番下の準位３のエネルギー位置には依存せず、上２準位間の準位間エネルギーω_１２が２個の擬原子で等しいことが条件となる。
【０１４０】
以下、Λ型励起の場合と同様な議論により、ｎ個の擬原子で同時に量子干渉状態を実現するための実効的な条件として、
σ_１２≦σ_１３ （１２ａ）
σ_１２≦σ_２３ （１２ｂ）
が得られる。
【０１４１】
図１４は、多数の擬原子で同時に量子干渉を実現するための条件を模式的に表したものである。
【０１４２】
なお、図の縦軸と横軸は光１，２の光子エネルギーω_１ 、ω_２ で、この２次元平面上にプロットしてある各点は個々の擬原子のエネルギー位置（ω_１３（ｎ） ，ω_２３（ｎ） ）を表している。
【０１４３】
図１４に示すように、全擬原子でω_１２の不均一幅が小さく、この２次元平面上で４５度ライン上に沿って分布するような場合、３本の電磁波と相互作用する擬原子は全て量子干渉状態に持っていくことができる。
【０１４４】
この様に、固体においてＶ型励起でＲＱＢを実現するには、準位１・２間の不均一広がりが小さい系を選択することが不可欠である。
【０１４５】
ここで、課題を解決するための手段のところでも述べたように、希土類イオンではｆ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇや原子核の４重極子相互作用など、結晶場やスピン軌道相互作用以外の要因で***した微細構造中や超微細構造中の２準位、また遷移金属イオンではｄ電子間のスピン軌道相互作用、ｄ電子と原子核とのｈｙｐｅｒｆｉｎｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ、原子核の４重極子相互作用など、結晶場以外の要因で***した微細構造中や超微細構造中の２準位において、遷移の不均一広がりが特異的に小さくなることが知られている。
【０１４６】
したがって、相互作用の中身を考察することで、不均一広がりの分布に関する情報を得ることができる希土類イオンや、遷移金属イオンを含む固体材料を用いることにより、初めてＶ型励起に相応しい３つの準位を設定することが可能になる。
【０１４７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【０１４８】
（第１の実施形態）
図１５は、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子の基本構成を示す模式図である。
【０１４９】
この光変調素子は、外場として高周波電場をＲＱＢ媒体（ＥＩＴを起こす固体）に印加することで、シグナル光である２本の光の透過強度やＲＱＢ媒体からの発光強度を量子力学的に制御するものである。
【０１５０】
すなわち、本実施形態の光変調素子は、シグナル光の透過強度や自身の発光強度（Λ型励起では準位１からの発光、Ｖ型励起では準位１と準位２からの発光）を変化させるＲＱＢ媒体１１と、このＲＱＢ媒体１１と接して設けられた一対の電極１２（外場は高周波電場）と、この一対の電極１２を介してＲＱＢ媒体１１を励起するための高周波電場源としての高周波電源１３と、図示しないシグナル光源と、このシグナル光源から出射したシグナル光１４_１ ，１４_２ をＲＱＢ媒体１１まで導く光ファイバー１５_１ ，１５_２ とから構成されている。
【０１５１】
また、図には、ＲＱＢ媒体１１から出力されたシグナル光１６_１ ，１６_２ の強度を測定するフォトダイオード１７と、ＲＱＢ媒体１１から発せられた光（発光）１８の強度を測定するフォトダイオード１９も示してある。
【０１５２】
なお、一対の電極１２の代わりに、一対の電磁石（外場は高周波磁場）あるいは空洞共振器（外場は高周波磁場）を用いても良い。いれずの場合も高周波電源を用いる。なお、空洞共振器の場合には、ＲＱＢ媒体１１に作用する外場が実質的に高周波磁場のみとなるように、空洞共振器の形状を選ぶ。
【０１５３】
ここで、シグナル光源は、シグナル光１４_１ ，１４_２ である２本のレーザー光に対応させて２台のレーザー光源を用いても良いが、シグナル光１４_１ ，１４_２ の周波数がＧＨｚ以下と僅かに異なる場合には、以下に示すような音響光学素子（以下、ＡＯ素子と省略）による振幅変調法により、１台のレーザー光源から２本の光を作成することができる。本光変調素子では、この方法にて得られた２本の光をシグナル光１４_１ ，１４_２ として使用する。
【０１５４】
この方法の利点は、２本の光が完全にオーバーラップするため、ＲＱＢ媒体１１中での位置合わせが原理的に不要な点である。
【０１５５】
なお、この方法では予め１台のレーザーからの出力光をアナログ変調が可能なＡＯ素子に入れ、ＡＯ素子からの出力光（回折光）を光ファイバー１５_１ ，１５_２ を介してＲＱＢ媒体１１上に入射するよう光路を調整しておく。
【０１５６】
今、同一方向に偏光した、光電場の大きさがともにＥ_Ｌ で、周波数が各々［ω_Ｌ ± （１／２）δω］の２本の光が、同軸上を同一方向に伝播するような状況を考える。この時、２本の光の合成電場Ｅ_ＴＯＴ は、

となる。
【０１５７】
２本の光の強度は、次式に示すように合成電場の２乗に比例する。
【０１５８】

α＝（ε／μ^）１／２、ただしεは誘電率、μは透磁率（１４）式中の２番目の｛…｝項から明らかなように、この２本の光の強度に関する表式は、周波数がω_Ｌ で、振幅強度が周波数δωで１００％変調された１本の光のそれと同じである。
【０１５９】
これより、本光変調素子では、ＡＯ素子の出力に振幅変調を加えることで、１本の光から同軸上、同一方向に伝播する２本の光を作った。
【０１６０】
また、高周波電源１３の出力（高周波電圧）は高速電力アンプで増幅され、その増幅された高周波電圧が一対の電極１２に印加される。
【０１６１】
次に本実施形態の光変調素子についてさらに詳細に説明する。
【０１６２】
本実施形態では、ＲＱＢ媒体１１にはＰｒ^３＋イオンが不純物として０．０５％分散しているＹＡｌＯ_３ を用い、シグナル光源には１台のＣＷ色素レーザーを用いた。
【０１６３】
図１６に、Ｐｒ^３＋イオンのエネルギー準位を示す。基底状態 ^３Ｈ_４ （０） と励起状態 ^１Ｄ_２ （０） は、どちらも電子的に見た場合には１重項であるが、核スピンまで考慮すると、４重極子相互作用により３準位（微細構造）に細かく***している。 ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移は全部で９つあるが、その全てが電気双極子許容である。
【０１６４】
また、 ^３Ｈ_４ （０） 、 ^１Ｄ_２ （０） どちらの微細構造についても、微細構造間の遷移は全て電気双極子許容である。なお、 ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移の不均一幅は５ＧＨｚ程度と広く、これに対して微細構造間の不均一幅は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚと狭い。
【０１６５】
２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の周波数差δωは、 ^１Ｄ_２ （０） の微細構造間の間隔（０．９２ＭＨｚ）に合うよう、ＡＯ素子を用いた振幅変調法により調整した。
【０１６６】
また、外場としては０．９２ＭＨｚの高周波電場を用い、 ^１Ｄ_２ （０） の微細構造間を励起した。これより、本光変調素子ではＰｒ^３＋イオンの３準位をＶ型に励起してシグナル光１４_１ ，１４_２ の変調を試みた。なお、シグナル光１４_１ ，１４_２ の入射強度はおよそ１ｍＷであり、外場の電場強度はおよそ２×１０^２ Ｖ／ｃｍである。
【０１６７】
このように構成された素子に関して、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ のビートと外場との間の位相を変えながら、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度や ^１Ｄ_２ （０） からの発光強度を調べた。
【０１６８】
図１７に、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度および ^１Ｄ_２ （０） からの発光強度の位相依存性を示す。なお、図中、横軸に示した位相は、相対的なものであり、本来の位相の値とはずれている。
【０１６９】
図に見られるように、透過強度や蛍光強度は位相に強く依存し、しかも周期πで振動した。この図と、先の図７とを比較すると、位相に対する吸収・発光特性の振舞いは両者で良く一致しており、本実施形態では量子干渉効果が発現していることが分かる。
【０１７０】
（比較例１）
一番上の準位１には ^１Ｄ_２ （０） に代わって ^３Ｐ_０ （０） の微細構造の中から準位を１つ選び、また外場は高周波電場から ^１Ｄ_２ （０） ←→ ^３Ｐ_０ （０） 遷移に対応する赤外レーザー光に変え、さらにシグナル光には ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移と ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^３Ｐ_０ （０） 遷移に対応する２色（オレンジと青色）のレーザー光を用いて、第１の実施形態と同様なＶ型励起での光変調特性の測定を行なった。
【０１７１】
ここでは、青色光は、非線形結晶を用いてオレンジ光と赤外光の和周波を発生させることで得た。これにより、外場である赤外光と、青色光とオレンジ光のビートとは周波数が完全に一致する。
【０１７２】
また、外場の位相は、赤外光の光路長のみをピエゾ素子を用いて変えることにより変化させた。
【０１７３】
図１８に、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度および ^１Ｄ_２ （０） と ^３Ｐ_０ （０） からの発光強度の位相依存性を示す。
【０１７４】
図から、シグナル光１４_１ ，１４_２ の吸収やＲＱＢ媒体１１からの発光は、位相に依らず一定値を示すことが分かる。
【０１７５】
ここで、各遷移の不均一幅を見てみると、３つの遷移はいずれも５ＧＨｚ程度の不均一幅を持つ。これは、この３準位系では３つの準位全てが不均一にバラついていることを意味している。このことから、固体でＲＱＢを実現するには、まず第１に不均一幅の大きさを把握した上で、３つの準位を選択しなければならないことが分かる。
【０１７６】
（第２の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０１７７】
ただし、本実施形態では、ＲＱＢ媒体１１には、Ｃｒ^３＋イオンが不純物として０．０５％分散しているＡｌ_２ Ｏ_３ 、シグナル光源には２台のＣＷチタンサファイアレーザーを用いた。
【０１７８】
図１９に、Ｃｒ^３＋イオンのエネルギー準位を示す。基底状態 ^４Ａ_２ と励起状態 ^２Ｅは相互作用として立方対称の結晶場のみを考えた場合にはともに４重に縮退しているが、実際にはスピン軌道相互作用によりそれぞれ２準位（微細構造）に***している。
【０１７９】
^４Ａ_２ ←→ ^２Ｅはスピン反転を伴うため振動子強度は小さいが光励起は可能であり、また微細構造間は磁気双極子許容である。
【０１８０】
なお、 ^４Ａ_２ ←→ ^２Ｅ遷移の不均一幅は４ＧＨｚ程度と広く、これに対して微細構造間の不均一幅は数ＭＨｚ程度と狭い。
【０１８１】
２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の周波数差δωは、 ^４Ａ_２ の微細構造間の間隔（１１．４ＧＨｚ）に合うよう調整した。具体的には、周波数差δωがつねに１１．４ＧＨｚを保つよう、ＲＱＢ媒体１１とは別の位置で２本の光のビートを計測し、レーザーの制御系にフィードバックをかけた。
【０１８２】
外場としては１１．４ＧＨｚの高周波磁場を用い、 ^４Ａ_２ の微細構造間を励起した。これより、本光変調素子ではＣｒ^３＋イオンの３準位をΛ型に励起してシグナル光の変調を試みた。
【０１８３】
なお、第１の実施形態ではＲＱＢ媒体１１に一対の電極１２を設けたが、本実施形態では２０ＭＷ／ｃｍ^２ 程度の強力な高周波磁場を加えるために、ＲＱＢ媒体１１は空洞共振器中に配置している。
【０１８４】
また、空洞共振器の両端には、シグナル光１４_１ ，１４_２ の出入り用に小さな孔が設けられている。シグナル光１４_１ ，１４_２ の入射強度はおよそ６ｍＷである。
【０１８５】
このように構成された素子に関して、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ のビートと外場との間の位相を変えながら、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度や ^２Ｅからの発光強度を調べた。
【０１８６】
図２１に、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度および ^２Ｅからの発光強度の位相依存性を示す。
【０１８７】
図に見られるように、透過強度および蛍光強度は位相に依存して周期πで振動した。この図と、先の図７、図１７と比較すると、位相に対する吸収・発光特性の振舞いは両者で良く一致しており、本実施形態でもやはり量子干渉効果が発現していることが確かめられた。
【０１８８】
なお、本実施形態では、量子干渉効果が実際に発現していることを別の測定法でも確かめた。
【０１８９】
図２０は、今度は位相を固定した状態で２本のシグナル光の周波数差δωを変えながら、 ^１Ｄ_２ （０） からの発光強度をモニターした結果を示す。
【０１９０】
図２０（ａ）に示すように、位相の値を図１７で発光強度が最小となる値（ここではおよそ０．４π）にセットした場合には、δωを共鳴周波数からはずすと発光強度は増加する。
【０１９１】
この結果は、δωが共鳴周波数と一致しているときは、本素子の光吸収が抑制されることを示している。これより、位相が０．４π±ｎπでは相殺的な干渉効果が誘起されることが分かる。
【０１９２】
逆に、図２０（ｂ）に示すように、位相の値を発光強度が最大となる値（ここではおよそ０．９π）にセットした場合には、今度はδωを共振周波数からはずすと発光強度は減少し、図２０（ａ）の値と一致する。
【０１９３】
この結果は、δωが共鳴周波数と一致しているときは、本素子の光吸収は増幅されることを示している。これより、位相が０．９π±ｎπでは相乗的な干渉効果が誘起されることが分かる。
【０１９４】
（第３の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０１９５】
ただし、本実施形態では、ＲＱＢ媒体１１にはＰｒ^３＋イオンが不純物として０．０２％分散しているＹ_２ ＳｉＯ_５ を用い、シグナル光源には１台のＣＷ色素レーザーを用いた。
【０１９６】
図２２に、Ｐｒ^３＋イオンのエネルギー準位を示す。Ｙ_２ ＳｉＯ_５ 中のＰｒ^３＋イオンはサイトが２種類あり、どちらのサイトも基底状態 ^３Ｈ_４ （０） と励起状態 ^１Ｄ_２ （０） は４重極子相互作用により３準位に***している。
【０１９７】
サイト毎に ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移は９つあるが、その全てが電気双極子許容である。また、 ^３Ｈ_４ （０） 、 ^１Ｄ_２ （０） どちらの微細構造についても、微細構造間の遷移は全て電気双極子許容である。
【０１９８】
なお、 ^３Ｈ_４ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移の不均一幅はサイト１が４ＧＨｚ程度、サイト２が３ＧＨｚ程度と広く、これに対して微細構造間の不均一幅は数十ｋＨｚ程度と狭い。
【０１９９】
２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の周波数差δωは、サイト１の ^３Ｈ_４ （０） の微細構造間の間隔（１７．３ＭＨｚ）に合うよう、ＡＯ素子を用いた振幅変調法により調整した。
【０２００】
また、外場としては１７．３ＭＨｚの高周波電場を用い、 ^３Ｈ_４ （０） の微細構造間を励起した。これより、本光変調素子ではＰｒ^３＋イオンの３準位をΛ型に励起してシグナル光１４_１ ，１４_２ の変調を試みた。
【０２０１】
なお、シグナル光１４_１ ，１４_２ の入射強度はおよそ０．５ｍＷであり、外場の電場強度はおよそ７×１０^２ Ｖ／ｃｍである。
【０２０２】
このように構成された素子に関して、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ のビートと外場との間の位相を変えながら、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度や ^１Ｄ_２ （０） からの発光強度を調べた。
【０２０３】
図２３は、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度および ^１Ｄ_２ （０） からの発光強度の位相依存性を示す。
【０２０４】
図に見られるように、透過強度や蛍光強度は、位相に依存して周期πで振動した。このことから、本実施形態でもやはり量子干渉効果が発現していることが確かめられた。
【０２０５】
（第４の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０２０６】
ただし、本実施形態では、ＲＱＢ媒体１１にはＴｂ^３＋イオンが不純物として０．０１％分散しているＹＬｉＦ_４ を用い、シグナル光源には１台のＣＷ色素レーザーを用いた。
【０２０７】
図２４に、Ｔｂ^３＋イオンのエネルギー準位を示す。
【０２０８】
基底状態 ^７Ｆ_６ （０） と励起状態 ^５Ｄ_４ （０） はどちらも電子的に見た場合には１重項であるが、核スピンまで考慮すると４重極子相互作用により２準位に***している。
【０２０９】
^７Ｆ_６ （０） ←→ ^５Ｄ_４ （０） 遷移は全部で４つあるが、その全てが電気双極子許容である。また、 ^７Ｆ_６ （０） 、 ^５Ｄ_４ （０） どちらの微細構造についても、微細構造間の遷移は全て電気双極子許容である。
【０２１０】
なお、 ^７Ｆ_６ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） 遷移の不均一幅は０．８ＧＨｚ程度と広く、これに対して微細構造間の不均一幅は数百Ｈｚ〜数ｋＨｚと狭い。
【０２１１】
外場としては１．３６ＧＨｚの高周波磁場を用い、 ^７Ｆ_６ （０） の微細構造間を励起した。
【０２１２】
また、シグナル光１４_１ ，１４_２ としては、１台のレーザーからの出力をビームスプリッターで２つに分割し、各々をＡＯ素子を通して周波数シフトさせ、お互いの周波数差δωが ^７Ｆ_６ （０） の微細構造間と一致するような２本の光を用意した。
【０２１３】
これより、本光変調素子では、Ｔｂ^３＋イオンの３準位をΛ型に励起してシグナル光の変調を試みた。
【０２１４】
なお、第１の実施形態では一対の電極１２を用いたが、本実施形態では８０ＭＷ／ｃｍ^２ 程度の強力な高周波磁場を加えるために、ＲＱＢ媒体１１は空洞共振器中に配置している。各々のシグナル光１４_１ ，１４_２ の入射強度はともに８ｍＷ程度である。
【０２１５】
このように構成された素子に関して、外場の位相を変えながら、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ それぞれの透過強度を調べた。
【０２１６】
図２５に、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の各々の透過強度の位相依存性を示す。
【０２１７】
図に見られるように、２本のシグナル光１４_１ ，１４_２ の透過強度は位相に依存して周期２πで振動した。どちらのシグナル光１４_１ ，１４_２ についても透過強度が最大となる位相を中心にゲインが生じており、さらに位相に対する透過強度の振舞いは２つの光で丁度反転しており、位相πずれていた。このことから、本実施形態では、図８に示した反転分布なしでのゲインが起きていることが分かった。
【０２１８】
（第５の実施形態）
図２６は、本発明の第５の実施形態に係るＬＷＩレーザー素子の基本構成を示す模式図である。
【０２１９】
このＬＷＩレーザー素子は、外場として高周波電場をＲＱＢ媒体に印加することにより、ＲＱＢ媒体からのレーザー発振強度を量子力学的に制御するものである。
【０２２０】
すなわち、本実施形態のＬＷＩレーザーは、レーザー発振を担うＲＱＢ媒体２１と、このＲＱＢ媒体２１から所定距離だけ離れて設けられた一対のミラー２２と、ＲＱＢ媒体２１と接して設けられた一対の電極２３（外場は高周波電場）と、この一対の電極２３を介してＲＱＢ媒体２１を励起するための高周波電場源としての高周波電源２４と、ポンピング光源２５_１ ，２５_２ と、これらのポンピング光源２５_１ ，２５_２ から出射し、レーザー遷移の上準位に電子をポンピングするポンピング光２６_１ ，２６_２ をＲＱＢ媒体２１まで導く図示しない光ファイバーとから構成されている。
【０２２１】
また、図には、ＲＱＢ媒体２１から発せられたＬＷＩレーザー光２７の強度を測定するフォトダイオード２８も示してある。
【０２２２】
ここで、ポンピング光源２５_１ はレーザーのコヒーレント光源であり、ポンピング光源２５_２ はランプ等のインコヒーレント光源である。
【０２２３】
なお、一対の電極２３の代わりに、一対の電磁石（外場は高周波磁場）あるいは空洞共振器（外場は高周波磁場）を用いても良い。いずれの場合も高周波電源を用いる。空洞共振器の場合には、ＲＱＢ媒体１１に作用する外場が実質的に高周波磁場となるように、空洞共振器の形状を選ぶ。
【０２２４】
図２７に、本ＬＷＩレーザーの模式的な準位スキームを示す。
【０２２５】
ここで、ポンピング光としては、周波数ω_１ （ω_２ ）の遷移でレーザー発振させる場合には、図２７（ａ）に示すように、周波数ω_２ （ω_１ ）のレーザー光２（レーザー光１）を用い、また周波数ω_１ 、ω_２ 両方の遷移で発振させる場合には、図２７（ｂ）に示すように、準位４に励起できるようなレーザー光３（この場合、光３はインコヒーレント光でも可）を用いる。
【０２２６】
なお、１波長発振でレーザー発振強度を増加させるには、光２と光３（光１と光３）を併用することが望ましい。また、図中、２６はポンピング光２６_１ ，２６_２ の一方を示している。
【０２２７】
（第６の実施形態）
前述したように、第４の実施形態では、反転分布なしでのゲインが起きていることが分かった。
【０２２８】
そこで、図２６の構成のＬＷＩレーザー素子において、ＲＱＢ媒体２１として第４の実施形態と同じＲＱＢ媒体１１を用いて、そのＬＷＩ特性を調べた。
【０２２９】
本実施形態では、ポンピング光源２５_２ にはレーザー光源を用い、 ^７Ｆ_６ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） を励起した。これより、本ＬＷＩレーザー素子では、まず、図２７（ａ）に示すタイプのスキームでレーザー発振を試みた。
【０２３０】
なお、第５の実施形態では、一対の電極２３を用いたが、本実施形態では５０ＭＷ／ｃｍ^２ 程度の強力な高周波磁場を加えるために、ＲＱＢ媒体１１は空洞共振器中に配置している。
【０２３１】
また、空洞共振器の両端は光共振器としても働くようミラー面になっており、このミラー面はピエゾ素子により位置を可動・調整できるようになっている。さらに、ポンピング光２６_１ ，２６_２ が空洞共振器内に効果的に閉じ込められるように、ミラー面の反射率は最適化されている。
【０２３２】
このように構成された素子に関して、ポンピング光２６_１ ，２６_２ の強度を上げていくと、 ^７Ｆ_６ （０） ←→ ^１Ｄ_２ （０） に対応する青色の発振光が得られた。しかし、その強度は極めて微弱であった。
【０２３３】
そこで、次に図２７（ｂ）に示すタイプのスキームでレーザ発振を試みた。なお、先程と同様、５０ＭＷ／ｃｍ^２ 程度の強力な高周波磁場を印加するために、やはりＲＱＢ媒体１１は空洞共振器中に配置している。また、キセノン光がＲＱＢ媒体１１を有効に励起できるように、空胴共振器の側面には窓が設けられている。
【０２３４】
このように構成された素子に関して、外場強度を５０ＭＷ／ｃｍ^２ と固定した状態で、ポンピング光２６_１ ，２６_２ の強度を増やしていった場合の ^７Ｆ_６ （０） ←→ ^５Ｄ_４ （０） 遷移のレーザー発振の様子を調べた。
【０２３５】
図２８（ａ）に、発振強度のポンピング強度依存性を示す。図から、ほとんどゼロしきい値で ^７Ｆ_６ （０） ←→ ^５Ｄ_４ （０） 遷移は、レーザー発振することが分かる。
【０２３６】
しかも、発振したレーザー光の時間依存性を見ると、図２８（ｂ）に示すように、レーザー光は周期的に振動していた。この振動をフーリエ変換すると、丁度１．３６ＧＨｚの位置にピークが現れた。
【０２３７】
これは、周波数差δωが１．３６ＧＨｚだけ異なる２本のコヒーレントな光が発振していることに他ならない。この結果と先のゲインの結果とから、本実施形態では量子干渉効果に由来してほぼゼロしきい値でレーザー発振が実現していることが理解される。
【０２３８】
（第７の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０２３９】
ただし、本実施形態では、２本のシグナル光の周波数差（ω_２ −ω_１ ）が、外場である高周波電場の周波数ω_ｅｘｔ の正の整数倍になるように調整してある。なお、このような励起条件（ω_２ −ω_１ ＝Ｎ・ω_ｅｘｔ ；Ｎは任意の自然数）は、ＡＯ素子に加える振幅変調の周波数δωを、δω＝Ｎ・ω_ｅｘｔ ／２に合わせることで容易に達成することができる。
【０２４０】
ω_ｅｘｔ は第１の実施形態と同様０．９２ＭＨｚであり、Ｐｒ^３＋イオンが０．０５％分散しているＹＡｌＯ_３ 中の ^１Ｄ_２ （０）微細構造間を励起している。（ω_２ −ω_１ ）が微細構造間のエネルギー差と一致しない場合でも、位相を変えることで透過強度や蛍光強度を変化させられるのは、以下に述べるような理由による。
【０２４１】
図２９は、１本のレーザー光と強く相互作用する、２準位原子のエネルギー準位を模式的に示したものである。レーザー光が無い場合は、図２９（ａ）に示すように、原子はただの２準位から構成されている。
【０２４２】
ここで、レーザー光が原子に強く作用すると、図２９（ｂ）に示すように、原子のエネルギー準位は、レーザー光の周波数ω_Ｌ と等しい間隔で無限に並んだ階段状の準位（図中において、各準位は全て縮退した２準位から構成されている。）に変化する。この段階状の準位は、通常ｄｒｅｓｓｅｄ−ｓｔａｔｅｓと呼ばれている。
【０２４３】
微細構造中の２準位に高周波電場を強く作用させると、やはりこのような階段状の準位を作ることができる。このため、ω_２ −ω_１ ＝Ｎ・ω_ｅｘｔ では、図３０に示すように、（Ｎ＋２）準位を２本のレーザー光と１本の高周波電場とで閉じるように励起することができる。閉じた励起の条件下では、準位数の大小によらず、外場の位相を変えると位相強度や蛍光強度も変化する。
【０２４４】
ただし、その変調周期は準位数に強く依存し、例えば透過強度の極大値に注目すると、極大を示すような位相の数は０から２πまでの間に２Ｎ個存在する。このことから、逆にシグナル光の変調周期を調べてやることで、実際の幾つかの準位がこの現象に絡んでいるかを調べることもできる。
【０２４５】
本実施形態では、ω_２ −ω_１ ＝１．８４ＭＨｚ、２．７６ＭＨｚ、３．６８ＭＨｚ、４．６０ＭＨｚ、５．５２ＭＨｚに調整して（即ち、Ｎ＝２，３，４，５，６）、シグナル光の変調を試みた。なお、シグナル光の入射強度はおよそ１ｍＷであり、外場の電場強度はおよそ２×１０^２ Ｖ／ｃｍである。
【０２４６】
このように構成された素子に関して、外場の位相を変えながら、 ^１Ｄ_２ （０）からの発光強度を調べた。図３１に、その結果を示す。なお、図中、横軸に示した位相は相対的なものであり、本来の値とはずれている。
【０２４７】
図に見られるように、発光強度は位相に強く依存し、しかもω_２ −ω_１ が大きくなるほど変調の周期は短くなった。この図と、先の（Ｎ＋２）準位での量子干渉特性とを比較すると、位相に対する吸収・発光特性の振舞いは両者で良く一致しており、本実施形態でも量子干渉効果が発現していることが分かる。
【０２４８】
（第８の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０２４９】
ただし、本実施形態では、外場である高周波磁場の周波数ω_ｅｘｔ が、Ｐｒ^３＋イオンが０．０５％分散しているＹＡｌＯ_３ 中の ^１Ｄ_２ （０）微細構造間のエネルギー差ωよりも小さく、Ｎ・ω_ｅｘｔ ＝ω（Ｎは任意の自然数）となるように調整してある。なお、本実施形態ではＮ・ω_ｅｘｔ は第１の実施形態と同様に０．９２ＭＨｚであり、２本のシグナル光の周波数差ω_２ −ω_１ はやはり０．９２ＭＨｚに調整してある。
【０２５０】
高周波磁場の周波数が小さい場合でも、ω_ｅｘｔ の正の整数倍がωに近ければ、Ｎ次の非線形効果によって不純物イオンの微細構造間を励起できる。このため、このような非線形効果を利用すると、ω付近で母体が高周波電場を吸収してしまうような場合でも、ωとは異なる周期を持った高周波電場を用いて、効率よく不純物イオンだけを励起することが可能になる。なお、ω_２ −ω_１ ＝Ｎ・ω_ｅｘｔ を満足すれば、量子干渉効果によってイオンの吸収・発光を自在に変化させることができるのは、第７の実施形態のところで説明した通りである。
【０２５１】
本実施形態では、ω_ｅｘｔ ＝０．４６ＭＨｚ、０．３１ＭＨｚ、０．２３ＭＨｚに調整して（すなわち、Ｎ＝２，３，４）、シグナル光の変調を試みた。なお、シグナル光の入射強度はおよそ１ｍＷであり、外場の電場強度はおよそ２×１０^２ Ｖ／ｃｍである。
【０２５２】
このように構成された素子に関して、外場の位相を変えながら、 ^１Ｄ_２ （０）からの発光強度を調べた。図３２に、その結果を示す。図に見られるように、蛍光強度は位相に強く依存し、しかもω_ｅｘｔ が小さくなるほど変調の周期は短くなった。これより、本実施形態では量子干渉効果が発現していることが分かる。
【０２５３】
（第９の実施形態）
本実施形態の光変調素子の基本構成は、図１５に示した第１の実施形態のそれと同じである。
【０２５４】
ただし、本実施形態では、２本のシグナル光の代わりに１本のコヒーレントなパルス光を用いている。パルス光を用いた場合に、外場の位相を変化させることで光吸収や発光を変えられるのは以下に述べる理由による。
【０２５５】
図３３は下２準位、上１準位から構成された３準位原子を模式的に示したものである。下２準位と上準位との間を光でコヒーレントに励起するには、２種類の方法が知られている。
【０２５６】
１つは、これまで述べてきたように、波長の異なる２本のＣＷレーザー光で励起する方法である。もう１つは、下２準位間を、そのエネルギー差ωよりも大きなエネルギー幅を持つ１本のコヒーレントなパルス光で励起する方法である。
【０２５７】
一般に不確定性原理から、有限の時間幅を持つパルス光は、その光子エネルギー（周波数）が時間幅の逆数だけ広がることが知られている。すなわち、パルス光の時間幅（パルス持続時間）をΔｔとすると、周波数は２π／Δｔ程度広がる。
【０２５８】
これより、時間幅（パルス持続時間）が２π／ωよりも短いパルス光を用いると、ＣＷ光２本で励起する場合と同様に、下２準位をコヒーレントに励起することが可能になっている。したがって、外場と組み合わせれば、パルス光についてもＲＱＢ（閉じた励起による量子干渉）を実現することができる。
【０２５９】
本実施形態では、外場として高周波電場を用い、Ｐｒ^３＋イオンが０．０５％分散しているＹＡｌＯ_３ 中の ^３Ｈ_４ （０）微細構造間を励起しながら、シグナル光であるパルスレーザーの変調を試みた。
【０２６０】
なお、高周波磁場の周波数は２１．１５ＭＨｚで、強度は２×１０^２ Ｖ／ｃｍである。パルス光は窒素レーザー励起の色素レーザー光を用いた。中心周波数は１６３７５ｃｍ^−１、時間幅は３０ｎｓｅｃ、強度は２ｎＪである。
【０２６１】
また、パルス光の中心周波数は ^３Ｈ_４ （０）と ^１Ｄ_２ （０）とのエネルギー差に合うように調整してある。エネルギー幅（周波数幅）はおよそ３３ＭＨｚであり、上で述べたように、 ^３Ｈ_４ （０）の微細構造を同時に励起することができる。
【０２６２】
このように構成された素子に関して、外場の位相を変えながら、 ^１Ｄ_２ （０）からの発光強度を述べた。図３４に示すように、発光強度は位相に強く依存した。このことから、本実施形態では量子干渉効果は発現していることが分かる。
【０２６３】
なお、外場である高周波電場の周波数を２１．１５ＭＨｚの半分にした場合でも、透過強度や発光強度は位相に強く依存した。このことから、本実施形態では量子干渉効果が発現していることが分かる。
【０２６４】
なお、外場である高周波電場の周波数を２１．１５ＭＨｚの半分にした場合も、透過強度や発光強度は位相に強く依存した。このことから、パルス光を用いる場合でも第８の実施形態（ω_ｅｘｔ が微細構造間のエネルギー差の正の整数分の１）と同様な量子干渉特性が得られることが分かった。
【０２６５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、外場として電場や磁場等を用いた場合について説明したが、所定の準位間を励起できるのであれば、電磁波等の他の外場を用いても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０２６６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、本発明者等が初めて見出だした準位間エネルギーの標準偏差に係る条件式を満足すれば、固体中の光励起を行うべき遷移に大きな不均一広がりがある場合でも、ほとんどすべての量子構造で同時にＲＱＢが誘起されるので、量子干渉効果を基本原理とした実用レベルの機能素子を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】量子干渉効果の基本概念を説明するための模式図
【図２】ＥＩＴの基本原理を説明するための、原子ガス中の３つのエネルギー準位と２本のコヒーレント光との関係を示す定性的なエネルギー図
【図３】ＥＩＴに関して、原子ガスをΛ型励起した際、光１の周波数ω_１ は固定した状態で光２の周波数ω_２ を変えながら調べた、原子ガスの定性的な光吸収スペクトルを示す図
【図４】ＥＩＴの物理的な起源を説明するための模式図
【図５】ＥＩＴに基づくＬＷＩの基本原理を説明するための、原子ガス中のエネルギー準位とコヒーレント光との関係を示す定性的なエネルギー図
【図６】本発明に係るＲＱＢの基本原理を説明するための、原子ガス中の３つのエネルギー準位と２本のコヒーレント光と１本のコヒーレントな外場の関係を示す定性的なエネルギー図
【図７】本発明に係るＲＱＢの光学特性を説明するために密度行列から計算した、緩和速度＞外場ラビ周波数の条件下における吸収と発光の位相依存性を示す図
【図８】本発明に係るＲＱＢの光学特性、特に外場ラビ周波数＞緩和速度の条件下において反転分布無しでのゲインが生じる様子を説明するためのエネルギー図
【図９】本発明に係るＲＱＢに関して、Λ型励起された原子ガスが量子干渉効果を引き起こすための離調条件を示す（ω_２ ，ω_１ ）平面図
【図１０】ｆ電子を１個持つ希土類イオンに働く結晶場を説明するための図
【図１１】遷移の不均一広がりを説明するための定性的なスペクトルを示す図
【図１２】３つの遷移全てが不均一に広がった３準位系では、ＲＱＢが全く観測できないことを説明するために密度行列から計算した、緩和速度＞外場ラビ周波数の条件下における吸収と発光の位相依存性を示す図
【図１３】本発明に係るＲＱＢに関して、Λ型励起された多数の擬原子が同時に量子干渉効果を引き起こすための離調条件を示す（ω_２ ，ω_１ ）平面図
【図１４】本発明に係るＲＱＢに関して、Ｖ型励起された多数の擬原子が同時に量子干渉効果を引き起こすための離調条件を示す（ω_２ ，ω_１ ）平面図
【図１５】本発明の第１の実施形態に係る光変調素子の基本構成を示す模式図
【図１６】同光変調素子のＲＱＢ媒体中のＰｒ^３＋イオンのエネルギー準位図
【図１７】同光変調素子の光吸収と発光の位相依存性を示す図
【図１８】比較例１の光変調素子の光吸収と発光の位相依存性を示す図
【図１９】本発明の第２の実施形態に係る光変調素子のＲＱＢ媒体中のＣｒ^３＋イオンのエネルギー準位図
【図２０】同光変調素子の発光のδω依存性を示す図
【図２１】同光変調素子の光吸収と発光の位相依存性を示す図
【図２２】本発明の第３の実施形態に係る光変調素子のＲＱＢ媒体中のＰｒ^３＋イオンのエネルギー準位図
【図２３】同光変調素子の光吸収と発光の位相依存性を示す図
【図２４】本発明の第４の実施形態に係る光変調素子のＲＱＢ媒体中のＴｂ^３＋イオンのエネルギー準位図
【図２５】同光変調素子の光吸収の位相依存性を示す図
【図２６】本発明の第５の実施形態に係るＬＷＩレーザー素子の構成構成を示す模式図
【図２７】同ＬＷＩレーザー素子に関して、エネルギー準位とポンピング光と外場との関係を示す定性的なエネルギー図
【図２８】本発明の第６の実施形態に係るＬＷＩレーザーの発振強度のポンピング強度依存性および発振光の時間的振舞いを示す図
【図２９】ｄｒｅｓｓｅｄ−ｓｔａｔｅｓを説明するための、レーザー光と強く相互作用した２準位原子のエネルギー準位を模式的に示す図
【図３０】本発明に係るＲＱＢを説明するための、（Ｎ＋２）準位と２本のコヒーレント光と１本のコヒーレントな外場との関係を示す図
【図３１】本発明の第７の実施形態に係る光変調素子の発光の位相依存性を示す図
【図３２】本発明の第８の実施形態に係る光変調素子の発光の位相依存性を示す図
【図３３】本発明に係るＲＱＢを説明するための、３つのエネルギー準位と１本のコヒーレントなパルス光と１本のコヒーレントな外場との関係を示す図
【図３４】本発明の第９の実施形態に係る光変調素子の発光の位相依存性を示す図
【符号の説明】
１１…ＲＱＢ媒体
１２…電極（外場印加手段）
１３…高周波電源（外場印加手段）
１４_１ ，１４_２ …シグナル光（入力光）
１５_１ ，１５_２ …光ファイバー
１６_１ ，１６_２ …シグナル光（透過光）
１７…フォトダイオード
１８…発光
１９…フォトダイオード
２１…ＲＱＢ媒体
２２…ミラー
２３…電極（外場印加手段）
２４…高周波電源（外場印加手段）
２５_１ ，２５_２ …ポンピング光源（光照射手段）
２６_１ ，２６_２ …ポンピング光（入力光）
２６……ポンピング光（透過光）
２７…ＬＷＩレーザー光
２８…フォトダイオード[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a functional device based on a quantum interference effect in a solid, such as a light modulation device or a LWI (lasing with inversion) laser device that operates without population inversion.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, studies for modulating optical characteristics of a substance originally considered to be intrinsic, such as absorption and emission, using a quantum mechanical interference effect have been activated. As shown schematically in FIG. 1, when there are a plurality of optical transitions at two levels in a substance, absorption and emission are strengthened or weakened when each transition is excited simultaneously, as schematically shown in FIG. Pointing to a phenomenon.
[0003]
As an optical physical property phenomenon related to the quantum interference effect, for example, even in a wavelength region where strong absorption is to be exhibited, light is transmitted through a substance without being absorbed in an electron magnetically induced transparency (EIT; K.-J. Boller for short). et al., Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991)), lasing without inversion (abbreviated as LWI; SE Harris, Phys. Rev. Lett. 62, 1033) capable of laser oscillation without inversion distribution. (1989)), enhancement of index of refraction (MO Scully, Phys. Rev. Let, which can greatly increase the refractive index of a substance). 67, 1855 (1991)), population trapping that traps electrons at a specific level despite irradiation with excitation light (E. Arimondo et al., Lett. Nuovo Cimento 17, 333 (1976)). )) Are known.
[0004]
These are not only novel and surprising sciences, but also phenomena full of applicability as technology, so research and development of various optical devices such as light modulation devices and LWI lasers that apply the quantum interference effect have been carried out. It is being actively promoted.
[0005]
As a method for artificially causing the quantum interference effect, two methods are known. One of them is EIT mentioned above. EIT is a phenomenon originally found when atomic gas was irradiated with laser light (at this time, it was not called EIT but was called population trapping).
[0006]
Note that EIT is the name when focusing on the spectrum, and population trapping is the name when focusing on the electron distribution. Alzetta et al. , Nuovo Cimento B36, 5 (1976)), a similar phenomenon has been identified in various atomic gas systems since its discovery in 1976 (eg, HR Gray et al., Opt. Lett. 3, 218). Commun. 49, 418 (1984); A. Aspect et al., Phys. Rev. Lett. 61, 826 (1988); S. Adachi. Et al., (1978); Commun. 81, 364 (1991); AM Akulsin et al., Opt. Commun. 84, 139 (1991); Y.-Q. Li et al., Phys. Rev. A51, R1754 (1995). A. Kasapie tal., Phys. Rev. Lett. 74, 2447 (1995)).
[0007]
The other is resonance quantum beat (RQB for short); this method is still new and does not seem to have an official name. The proposer, MO Scully, uses the expression "quantum beat" in his dissertation. Such a name was tentatively used because it may be confused with another phenomenon: MO Scully, et al., Phys. Rev. Lett. 62, 2813 (1989)).
[0008]
Although RQB was preceded by theory, recently quantum interference effects have also been confirmed for atomic gas systems (for example, regarding the theory, JA Bergou et al., Phys. Rev. A43, 4889 (1991); FL Kien et al., Phys. Rev. A51, 1644 (1995); MAGG Martinez et al., Phys. Rev. A55, 4483 (1997); P. Bogar. Rev. A56, 1012 (1997); and for experiments, see N. Ph. Georges et al., Opt. Lett. 21, 1688 (1996); Rev. A55, R16 5 (1997);... D.V.Kosachiov Opt Commun 141, 35 (1997)).
[0009]
EIT and RQB can both constitute an LWI laser, and this will be described using atoms. First, the EIT will be described. FIG. 2 is a diagram schematically showing the energy level of the atomic gas and the incident light. The target system is basically composed of three levels (level 1, level 2, level 3) and two coherent lights (light 1, light 2).
[0010]
There are three types of schemes based on the combination of the level and the light. In the case where the top level 1 is used as a common level and excited by two lights as shown in FIG. A case where the ground level 3 becomes a common level as in (b) is called a V-type excitation, and a case where the middle level 2 becomes a common level as shown in FIG. To
[0011]
Now, consider the case where three levels are excited by Λ type. In order to cause a quantum interference effect in this system, it is required that the level between optically non-excited levels 2 and 3 is optically forbidden and the relaxation rate is zero (level 2 is a metastable state). In order to cause the quantum interference effect in the EIT, two conditions must be satisfied, one of which is known as a quantum interference condition relating to transition probability and relaxation.
[0012]
Here, the photon energy ω of light 1₁Is the energy ω between levels 1 and 2.₁₂Condition that matches: δω₁= Ω₁−ω₁₂= 0, the photon energy ω of light 2₂Let us consider a case in which the light absorption spectrum is examined while changing.
[0013]
FIG. 3A shows a light absorption spectrum of light 2 under such conditions. Note that δω on the horizontal axis₂Is the photon energy ω of light 2 and the energy ω between levels 1.3_ThirteenDetuning with: δω₂= Ω₂−ω_ThirteenAnd rearranged.
[0014]
As shown in the figure, the spectrum that should originally show a single peak has δω₂= 0 (= δω₁) Results in absorption pores, ie transparent areas. This δω₁= Δω₂Is a second quantum interference condition in the EIT scheme, that is, a condition relating to detuning.
[0015]
The width of the hole at this time is set to Ω₁, Ω₂Then, Ω ~ (Ω₁ ²−Ω₂ ^{2) 1/2}It becomes.
[0016]
The rabbi frequency Ω₁₂, Ω_ThirteenIs the electric dipole moment μ between levels 1.2 and 1.3.₁₂, Μ_ThirteenElectric field intensity E of light 1,2₁, E₂, Using Planck's constant h₁= 2πμ₁₂E₁/ H, Ω₂= 2πμ_ThirteenE₂/ H is a quantity representing the strength of the interaction between light and a substance defined by / h.
[0017]
Next, FIG.₁= Δω₂4 shows a light absorption spectrum of light 2 when the photon energy of light 1 is fixed in a state of = 0.
[0018]
As shown in the figure, δω₁= Δω₂A transparent region where the light 2 is not absorbed is also formed in the region of the absorption skirt. In this case, the width Ω of the hole is Ω to (Ω₁ ²−Ω₂ ²+ Δω₂ ²)^1/2It becomes.
[0019]
Thus, in EIT, δω₁= Δω₂When two lights satisfying the condition (1) are input, no light is absorbed at all even in a wavelength region that should show strong absorption. The physical origin of absorption disappearance can be explained from a dressed-state picture.
[0020]
FIG. 4 shows a state in which the eigenstate of an atom changes when light 1 acts between the levels 1-2. FIG. 4A shows the energy level of an atom (bare-atom) on which nothing acts, and FIG. 4B shows the energy level of the atom (dressed-atom) on which light 1 has acted.
[0021]
In the atom on which the light 1 has acted, the top level 1 splits into two adjacent level pairs called a dressed-state. This pair of two adjacent levels can be simultaneously excited by one light (light 2) from level 3 which is the ground state.
[0022]
It can be considered that the disappearance of the absorption of the light 2 occurs because two transitions from the level 3 to the close two-level pair interfere with each other. This is a destructive interference effect. This destructive interference effect can be caused by other V-type excitation or Ξ-type excitation. It is shown that the formation of the transparent region in the spectrum of any of the excitation types agrees well with the theoretical curve obtained from the analysis of the density matrix.
[0023]
The EWI-based LWI also has three schemes, Λ-type, V-type, and Ξ-type excitation in relation to the combination of the level and light, as described above. Again, we focus on the case of Λ-type excitation.
[0024]
FIG. 5 schematically shows the energy level of the atomic gas and the incident light. The light 3 newly added here is an incoherent light for pumping electrons from the ground level to the excited level.
[0025]
Now, it is assumed that the coherent lights 1 and 2 incident on the system satisfy the interference condition regarding detuning, and the atomic gas is in a quantum interference state in which the light 2 is not absorbed. When the incoherent light 3 is irradiated here, this light 3 is absorbed by the system. This is because the interference effect by the EIT does not work on the incoherent light, and the level 1 to the level 1 are not transparent. Intuitively, it can be considered that the spectrum width of the incoherent light is wide and the spectrum is distributed beyond the width of the transparent region due to quantum interference.
[0026]
In the EIT, the interference effect does not work on the light emission. That is, the transition between the levels 1 and 3 in the quantum interference state has asymmetry in the absorption / emission characteristics, and in particular, only light emission is possible in the transparent region.
[0027]
Therefore, the electrons excited to the level 1 by the light 3 again fall to the level 3 through the stimulated radiation by the light 2. This amplification of the coherent light 2 by the incoherent light 3 occurs when the population of the upper level, Level 1, is smaller than the population of the lower level, Level 3, ie, without population inversion. Therefore, it is attracting attention as a new principle of laser oscillation.
[0028]
To construct an LWI laser, the system may be placed in a resonator, only the light 1 may be irradiated as coherent light, and electrons may be pumped from the ground state to the excited state by some method.
[0029]
Here, the photon energy of light 1 that excites between levels 1 and 2 is ω₁, The transition energy between levels 2.3₂₃Then the photon energy (ω₁+ Ω₂₃), A laser oscillation gain is generated in the vicinity thereof, so that coherent light is generated. A detailed description of the physical origin at which laser oscillation occurs even without inversion distribution can be shown by analyzing a density matrix as in the case of EIT.
[0030]
Although the above results are all related to Λ-type excitation, analysis results of the density matrix show that LWI can be performed also in the case of V-type and Ξ-type excitation.
[0031]
Subsequently, the quantum interference effect and the LWI by the RQB will be described below.
[0032]
In the case of RQB, as in the case of EIT, the target system is a three-level atom. RQB is different from EIT in that all three transitions are irradiated with coherent electromagnetic waves to produce closed triple excitation, and that quantum interference effects are exhibited even when all three levels have a relaxation process. .
[0033]
The optical properties of RQB are not known at this time as well as EIT. Then, in order to compare with EIT, one of the three electromagnetic waves is reset as an external field, and the optical characteristics of the RQB are examined. Then, as shown in FIG. 6, it can be understood that three schemes of Λ-type, V-type, and Ξ-type excitation can be defined even in the case of RQB.
[0034]
When attention is paid to, for example, Λ-type excitation, the quantum interference effect is considered to occur because one-photon transition due to light 2 from level 3 toward level 1 interferes with two-photon transition due to light 1 + external field. I have.
[0035]
Whether the interference is destructive or synergistic depends largely on the value of the phase θ between the beats of the lights 1 and 2 and the external field. The light absorption / emission characteristics with respect to the phase θ can be obtained from the analysis of the density matrix in the same manner as in the EIT.
[0036]
First, how the phase θ is changed when the relaxation rate of the system is higher than the Rabi frequency of the external field will show what interference effect appears in the absorption / emission characteristics at the Λ type three level.
[0037]
For simplicity, it is assumed that all three electromagnetic waves resonate with each transition (zero detuning) and that all three levels have the same relaxation rate (of course, in an external field). Even when there is no relaxation between the lower two levels to be excited, the quantum interference effect appears).
[0038]
In addition, in addition to the absorption amount of each of the lights 1 and 2 per unit time, the total absorption amount of the two lights per unit time is also considered. Only consider.
[0039]
FIG. 7 shows the results of calculating the total absorption amount of the two lights and the light emission amount from the level 1 with respect to the phase θ under the condition of relaxation speed> external rabbi frequency.
[0040]
As can be seen, absorption and emission strongly depend on the phase θ and oscillate with a period π. That is, in the figure, at positions of θ = π / 2 and 3π / 2, synergistic interference occurs because absorption and emission increase, and at θ = 0 and π, the interference decreases because it decreases. You can see that is happening.
[0041]
Set the rabbi frequency of the external field to [Ω_extExp (jθ)], the amount of absorption and the amount of light emitted are the same function form; [A + BΩ]_ext ²・ Sin²θ)]. These vibrate because the imaginary part corresponding to the incoherent pumping and damping components is effective in the rabbi frequency of the external field.
[0042]
Next, when the rabbi frequency is increased by increasing the intensity of the external field, the absorption and emission are rapidly reduced, the above-described vibration structure disappears, and the entire system becomes transparent. Further, under the condition of external field Rabi frequency> relaxation speed, a gain without inversion distribution appears depending on the value of phase θ.
[0043]
FIG. 8 schematically shows the state of the gain when θ = π / 2 and 3π / 2. From the figure, it can be seen that the transition that produces a gain is switched according to the value of the phase θ.
[0044]
This gain occurs even when the population of level 1, which is the upper level, is smaller than the lower level. Therefore, it is possible to configure an LWI laser with RQB.
[0045]
Further, the absorption amounts of the light 1 and 2 are each in the form of a function;₁Ω₂/ Ω_ext· Sin θ),-(jΩ₁Ω₂/ Ω_ext· Sin θ). Therefore, in most phases except θ = 0 and π, any transition always generates a gain.
[0046]
Further, from the calculation of the density matrix, it can be shown that the same absorption / emission characteristics as those obtained by the Λ-type excitation can be obtained by other V-type excitation and Ξ-type excitation. However, the reason why a gain without inversion distribution occurs in the RQB, that is, the reason why LWI is possible, is not yet well understood.
[0047]
From the above description of EIT and RQB, if the quantum interference effect is incorporated into a solid-state system, light that can operate satisfactorily even with weak light can be used instead of the existing optical modulator using nonlinear optics that requires strong light in principle. The development of modulation devices and LWI lasers that oscillate at low thresholds in the short wavelength region has opened the way to the realization of quantum interference effects and various physical properties of solids such as electric conduction, magnetism, and dielectric properties. It is expected that a new type of functional element different from the electronic element will be created.
[0048]
However, application of EIT and RQB to a solid system has restrictions as described below.
[0049]
First, in EIT, since interference of optical transition between specific levels is used, it is difficult to use a level that forms a band. For this reason, research has been actively conducted to achieve complete zero absorption by EIT first using semiconductor quantum wells and impurities having relatively discrete energy among various solid systems (for example, Lett. 19, 1744 (1994); PJ Harshman et al., IEEE J. Quantum Electronics 30, 2297 (1994); D. Huang et al., A. Imamoglu et al., Opt. Soc.Am.B11, 2297 (1994); Y.Zhu et al., Phys.Rev.A49, 4016 (1994)).
[0050]
However, to date, solid-state systems have not achieved the remarkable light modulation characteristics observed in atomic gas systems (several reports indicate that the absorption was reduced. H. Schmidt et al., Appl. Phys. Lett. 70, 3455 (1997); Y. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 79, 641 (1997); Ham et al., Opt. Lett. 22, 1138 (1997)).
[0051]
This is due, in part, to the fast relaxation processes inherent in solids, and to the other, to the large non-uniform broadening of optical transitions, also inherent in solid systems.
[0052]
As described in the explanation of the principle, for example, in the case of EIT of Λ-type excitation, the level between the middle level 2 and the ground state level 3 is optically forbidden, and level 2 is a metastable having an extremely long lifetime. It is required to be in a state. Furthermore, because of the constraint that the detuning of the two lights must be equal, the non-uniform spread of the transition must be less than its uniform width and the Rabi frequency of the light.
[0053]
However, it is extremely difficult to find a three-level system that has one non-relaxed excitation level and has no nonuniform spread, even in a semiconductor quantum well system or an impurity system that exhibits properties relatively close to atoms. From this, at present, a large light modulation characteristic by EIT has not been obtained yet.
[0054]
On the other hand, for the RQB, as can be seen from the above description of the principle, in order to realize quantum interference, it is necessary to use a semiconductor quantum well or an impurity which has a relatively discrete energy.
[0055]
Looking at the relaxation that has become a problem in EIT, RQB can cause quantum interference even if all three levels have a relaxation process. For this reason, in RQB, the restriction on the relaxation is relatively loose, and from this point, it can be said that the scheme is suitable for a solid system.
[0056]
However, when there is non-uniform spread, a large optical modulation characteristic cannot be expected in the RQB as in the case of the EIT.
[0057]
FIG. 9 shows the detuning condition of the quantum interference regarding RQB. In the figure, the photon energy ω of the light 2 in FIG.₂On the horizontal axis, the photon energy ω of light 1₁Is plotted on the vertical axis, and the energy level of the atomic gas is plotted on the two-dimensional plane. Since the nonuniform width of the atomic gas is almost zero, the atomic ensemble is a point (ω_Thirteen, Ω₁₂) Is located on. Point (ω_Thirteen, Ω₁₂), The line extending around the line represents the detuning condition of the quantum interference (for example, the solid line in the figure indicates δω₁= Δω₂, Δω_ext= 0 detuning condition. Δω at EIT₁= Δω₂Equivalent). This means that, for example, if the wavelengths of the two lights and the external field are selected so as to match one point on this line, atoms can be brought into a quantum interference state.
[0058]
As can be seen from this figure, in a solid system in which all three levels are dispersed, the quantum interference effect is almost invisible even with RQB.
[0059]
Such a problem can be solved by reducing the non-uniform spread of the energy level in the solid to the same level as that of the atomic gas, but it is difficult with the current device fabrication technology.
[0060]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, when a quantum interference effect is to be caused in a solid by using EIT or RQB, the EIT is caused by non-uniform spread of energy levels in the solid and a fast relaxation process. Sufficient quantum interference characteristics could not be obtained mainly due to non-uniform spread, and a practical optical device based on EIT or RQB could not be realized.
[0061]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a practical functional element based on a quantum interference effect, particularly, RQB in a solid.
[0062]
[Means for Solving the Problems]
[Constitution]
In order to achieve the above object, a functional element according to the first invention of the present application selects a solid including a quantum structure having an energy level structure of three or more levels and three levels from the quantum structures, A first coherent light that excites between the first level and the second level when a first level, a second level, and a third level are set in order from the top; A light irradiation unit that irradiates the solid with second coherent light that excites between the first level and the third level; and a light irradiating unit that irradiates the second level with the third level. External field applying means for applying an external field for exciting the gap to the solid, wherein the total number of the quantum structures in the solid is n and the first level and the second level of each quantum structure are provided. The resonance angle frequency between the first level and the third level, the resonance angle frequency between the first level and the third level, and the resonance angle frequency between the second level and the third level.₁₂(I), ω_Thirteen(I), ω₂₃(I) (i = 1 to n), and the ω for all n quantum structures₁₂(I), ω_Thirteen(I) and ω₂₃The average value of (i) is <ω₁₂>, <Ω_Thirteen> And <ω₂₃> For all n quantum structures₁₂(I), ω_Thirteen(I) and ω₂₃The standard deviation of (i) is σ₁₂= ｛(1 / n) Σ [ω₁₂(I) − <ω₁₂>]²｝^1/2, Σ_Thirteen= ｛(1 / n) Σ [ω_Thirteen(I) − <ω_Thirteen>]²｝^1/2And σ₂₃= ｛(1 / n) Σ [ω₂₃(I) − <ω₂₃>]²｝^1/2And σ₂₃≤σ₁₂, And σ₂₃≤σ_ThirteenIs satisfied.
[0063]
Here, the external field is, for example, an oscillating electric field or an oscillating magnetic field, particularly a high-frequency electric field or a high-frequency magnetic field (the same applies to other inventions).
[0064]
Also, ω usually represents an angular frequency, but there is a one-to-one correspondence between angular frequency and frequency, a one-to-one correspondence between frequency and energy, and energy Since there is also a one-to-one opposition relationship between the angular frequency and the angular frequency, in the following description, ω (ω₁, Ω₁₁Etc.).
[0065]
Next, the functional element according to the second invention of the present application selects a solid including a quantum structure having an energy level structure of three or more levels and three levels from the quantum structures, and the first level from the top. A first coherent light that excites between the second level and the third level when a level, a second level, and a third level are set, and the first level Light irradiating means for irradiating the solid with second coherent light exciting between the first level and the third level, and an external field exciting between the first level and the second level Means for applying an external field to the solid, wherein the total number of the quantum structures in the solid is n and the resonance angular frequency of the first level and the second level of each quantum structure , The resonance angular frequency between the first level and the third level, and the resonance angular frequency between the second level and the third level₁₂(I), ω_Thirteen(I), ω₂₃(I) (i = 1 to n), and the ω for all n quantum structures₁₂(I), ω_Thirteen(I) and ω₂₃The average value of (i) is <ω₁₂>, <Ω_Thirteen> And <ω₂₃And ω for all n quantum structures₁₂(I), ω_Thirteen(I) and ω₂₃The standard deviation of (i) is σ₁₂= ｛(1 / n) Σ [ω₁₂(I) − <ω₁₂>]²｝^1/2, Σ_Thirteen= ｛(1 / n) Σ [ω_Thirteen(I) − <ω_Thirteen>]²｝^1/2And σ₂₃= ｛(1 / n) Σ [ω₂₃(I) − <ω₂₃>]²｝^1/2And σ₁₂≤σ_Thirteen, And σ₁₂≤σ₂₃Is satisfied.
[0066]
Next, in the functional element according to the third aspect of the present invention, in the functional element according to the first aspect of the present invention, the external field applying means excites between the first level and the second level. Changing the phase of the external field when irradiating the solid with first coherent light to be emitted and second coherent light that excites between the first level and the third level. The first and second coherent transmitted light intensities after passing through the solid and the fluorescence intensity from the first level are changed by the phase change of the external field. And
[0067]
Next, in the functional element according to the fourth aspect of the present invention, in the functional element according to the second aspect of the present invention, the external field applying means excites between the second level and the third level. Changing the phase of the external field when irradiating the solid with first coherent light to be emitted and second coherent light that excites between the first level and the third level. The first and second coherent transmitted light intensities after passing through the solid, and the fluorescence intensities from the first and second levels change due to the phase change of the external field. It is characterized by the following.
[0068]
Next, a functional element according to a fifth aspect of the present invention is the functional element according to the first aspect of the present invention, wherein the solid is provided with a resonator including a pair of mirrors, and the first level and the second level are provided. A first coherent light that excites between the first and third levels and a second coherent light that excites between the first and third levels coexist in the solid; By applying the external field to the solid by an external field applying means, at least one of the first and second coherent lights is laser-oscillated.
[0069]
Next, a functional element according to a sixth aspect of the present invention is the functional element according to the second aspect of the present invention, wherein the solid includes a resonator including a pair of mirrors, and the second level and the third level are provided. A first coherent light that excites between the first and third levels and a second coherent light that excites between the first and third levels coexist in the solid; By applying an external field to the solid by an external field applying means, at least one of the first and second coherent lights is laser-oscillated.
[0070]
Next, a functional element according to a seventh aspect of the present invention is the functional element according to the first, third, and fifth aspects of the present invention, wherein the solid includes n quantum structures in the d-electron orbit (n = A transition metal ion having an electron of 1 to 9) or a rare earth ion having m electrons (m = 1 to 13) in an f electron orbital, wherein the second level and the third level of the transition metal ion are The level is selected from levels split by spin orbit interaction, hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction, and the second and third levels of the rare earth ion are , Or a level split by hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction.
[0071]
Here, the second level and the third level of the transition metal ion are more specifically 10⁵-10¹²These are two levels in a microstructure that can be excited by an electromagnetic wave having a frequency of Hz.
[0072]
An eighth invention of the present application is the functional device according to the second, fourth, or sixth invention of the present application, wherein the quantum structure contained in the solid has n (n = 1 to 9) quantum electrons in the d-electron orbit. A transition metal ion having electrons or a rare earth ion having m electrons (m = 1 to 13) in an f electron orbital, wherein the first level and the second level of the transition metal ion are spin orbitals; Selected from levels split by interaction, hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction, wherein the first level and the second level of the rare earth ion are Alternatively, they are selected from levels split by nuclear quadrupole interaction.
[0073]
Here, the first level and the second level of the transition metal ion are more specifically 10 levels.⁵-10¹²These are two levels in a microstructure that can be excited by an electromagnetic wave having a frequency of Hz.
[0074]
In these functional elements, the external field is, for example, an AC electric field, an AC magnetic field or an electromagnetic field. In this case, the angular frequency of the external field is ω_ext, The angular frequency of the first coherent light is ω₁, The angular frequency of the second coherent light is ω₂, Where N is an arbitrary natural number, ω₂−ω₁= N · ω_ext    Each angular frequency is set so as to satisfy the relational expression.
[0075]
In these functional elements (excluding the fifth and sixth functional elements), it is possible to use one and the same coherent pulsed light as the first coherent and the second coherent light. In this case, the center frequency of the pulsed light is set to be higher than the angular frequency of the first coherent light and smaller than the angular frequency of the second coherent light, and the duration of the pulsed light is Let the angular frequency of the first coherent light be ω₁, The angular frequency of the second coherent light is ω₂Where 2π / (ω₂−ω₁) Should be shorter than
[0076]
In other words, the functional element according to the present invention optically excites two optical transitions among three levels in a solid into a Λ-type or a V-type, and further applies an electrode and an electromagnet for excitation between lower two levels or upper two levels. When an external field such as an oscillating electric field or an oscillating magnetic field is applied through a cavity resonator or the like, the transition energy distribution (non-uniformity) is compared by comparing between levels excited by the external field and levels excited by light. The main point is that the relationship between the widths is specified.
[0077]
In the impurities in the solid material described later, the magnitude of the uneven spread of the transition can be estimated from the interaction acting on the impurities. This will be described by taking rare earth ions dispersed in a solid as an example.
[0078]
Typical interactions regarding rare earth ions in a solid include spin orbit, crystal field, hyperfine-coupling between f-electrons and nuclei, quadrupole interaction of nuclei, and the like.
[0079]
The following equation describes this as the Hamiltonian (hereinafter the interaction Hamiltonian H_INTOnly treat. Hamiltonian H of bare atoms_OAre omitted).
[0080]
H_INT= H_SO+ H_CF+ H_HF+ H_Q                              (1)
Where H_SO, H_CF, H_HF, H_QIs a Hamiltonian representing a spin orbit, a crystal field, an f-electron / nuclear hyperfine-coupling, and a nuclear quadrupole interaction, respectively.
[0081]
The number and position of the energy levels of impurities in the solid are determined depending on the strength of each interaction. In the case of rare earth ions, the magnitude of the interaction is approximately H_SO> H_CF> H_HF> H_QIt is known that the order is as follows.
[0082]
Crystal field term H specific to solids_CFIs the second strength of the interaction. Therefore, the energy level of rare earth ions appearing in a solid roughly matches that of free ions.
[0083]
H is a weak interaction_CF, H_HF, H_QIs H_SODivides each level split more finely. Since the magnitude of level splitting is also determined by the strength of the interaction,_CF> H_HF> H_QIt becomes order of.
[0084]
Next, we look at the specific contents of these three terms. First, the crystal field term H_CFIs
H_CF= ΣΣ (-eQ_j/ | R_i-R_j|) (2)
Is represented by
[0085]
Where r_i= (R_i, Θ_i, Φ_i) Is the position vector of the i-th f electron of the rare earth ion, R_j= (R_j, Θ_j, Φ_j) Is the position vector of the j-th ligand ion (parent atom) surrounding the rare earth ion, Q_jRepresents the charge of this ligand ion.
[0086]
As a simple specific example, as shown in FIG. 10, when a rare earth ion having one f electron is surrounded by a ligand ion (charge; -Ze) arranged in a cubic symmetry, that is, in a cubic symmetric crystal field, , The potential energy V received by one f-electron_CFCan be expressed as follows using the distance a between the rare earth ion and the ligand ion.
[0087]
V_CF= A₀₀+ A₄₀D₀ ⁽⁴⁾+ (A₄₄D₄ ⁽⁴⁾+ A_4-4D_-4 ⁽⁴⁾)
+ A₆₀D₀ ⁽⁶⁾+ (A₆₄D₄ ⁽⁶⁾+ A_6-4D_-4 ⁽⁶⁾) + ... (3)
A₀₀= 6Ze²/ A
A₄₀= 7Ze²/ 2a⁵
A₄₄= A_4-4= (35)^1/2Ze²/ (8)^1/2a⁵
A₆₀= 3Ze²/ 2a⁷
A₆₄= A_6-4= (63)^1/2Ze²/ (32)^1/2a⁷
D_p ^(T)= Σr_i ^tC_p ^(T)(Θ_i, Φ_i)
C_p ^(T)(Θ_i, Φ_i) = [4π / (2t + 1)]^1/2Y_tp(Θ, φ)
Where Y_tp(Θ, φ) is a spherical function.
[0088]
Equation (3) shows that the energy difference between each level split by the crystal field strongly depends on the distance a between the rare earth ion of interest and the ligand ion.
[0089]
It is known that even in the case of lower symmetry, the energy difference between each level split by the crystal field strongly depends on the distance a between ions.
[0090]
On the other hand, the f electron / nucleus hyperfine-coupling H_HFAnd nuclear quadrupole interaction H_QAre represented as follows.
[0091]

Where J is the total angular momentum of the electron, I is the spin angular momentum of the nucleus, A_JIs a coupling constant of hyperfine-coupling, P is a coupling constant of a quadrupole, η is a parameter representing asymmetry of an electric field gradient (EFG), and (x, y, z) represent principal axes of an EFG tensor, respectively. I have.
[0092]
As can be seen from equation (4), the energy difference between each level split by hyperfine-coupling or quadrupole interaction is different from the case of the above crystal field, and the energy difference between the rare earth ion and the ligand ion It basically does not depend on the distance a.
[0093]
In general, it is known that the light absorption spectrum of a rare earth ion embedded in a solid has an uneven spread. In most cases, the non-uniform spread is caused by the fact that the microscopic electric field environment (in short, the crystal field) in the solid in which the rare-earth ions are placed differs for each ion due to local distortion in the solid. This is nothing but the fact that the distance a between the ions in equation (3) fluctuates for each rare earth ion.
[0094]
Therefore, when a rare earth impurity in a solid causes a quantum interference effect, it is considered as a lower two level in the case of Λ-type excitation and as an upper two level in the case of V-type excitation, such as hyperfine-coupling between the f electron and the nucleus, and By selecting two levels from the fine structure or hyperfine structure split by factors other than the crystal field or spin-orbit interaction, such as the quadrupole interaction, the lower two levels or the upper two levels The nonuniform spread between them can be specifically suppressed small, and the conditional expressions described in the first and second aspects of the present invention can be realized.
[0095]
On the other hand, in a system in which transition metal ions are dispersed in a solid, unlike the rare earth ions, the magnitude of the interaction is H_CF> H_SO> H_HF> H_QIt becomes in order of.
[0096]
Therefore, when a quantum interference effect is caused by a transition metal impurity in a solid, a spin-orbit interaction between d electrons and a d-electron are considered as lower two levels in Λ-type excitation and upper two levels in V-type excitation, respectively. By selecting two levels from the fine structure or hyperfine structure split by factors other than the crystal field, such as hyperfine-coupling with the nucleus and the quadrupole interaction of the nucleus, the lower two levels or the upper level The uneven spread between the two levels can be specifically suppressed, and the conditional expressions described in the first and second aspects of the present invention can be realized.
[0097]
Here, solid materials satisfying the above conditions include primary transition metal elements such as Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, and the like as impurities. Secondary transition metal elements such as Rh, Pd, and Ag; tertiary transition metal elements such as Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, and Au; Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, MgF containing at least one or more lanthanoid rare earth elements such as Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb and actinoid rare earth elements such as Th, Pa, and U.₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂, MnF₂, ZnF₂, CdF₂, AlF₃, YF₃, LaF₃, CeF₃, PrF₃, NdF₃, SmF₃, EuF₃, GdF₃, TbF₃, DyF₃, HoF₃, ErF₃, TmF₃, YbF₃, LuF₃, LiBaF₃, KMgF₃, KMnF₃, KZnF₃, KNiF₃, RbNiF₃, ZrF₄, LiYF₄, NaYF₄, KYF₄, LiLaF₄, LiGdF₄, LiLuF₄, BaAlF₅, SrAlF₅, K₃YF₆, K₃CoF₆, Cs₃NdF₇, Cs₃GdF₇, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, YCl₃, LaCl₃, CeCl₃, PrCl₃, NdCl₃, SmCl₃, EuCl₃, GdCl₃, TbCl₃, DyCl₃, HoCl₃, ErCl₃, TmCl₃, YbCl₃, LuCl₃, CsMgCl₃, CsCdCl₃, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, YBr₃, LaBr₃, CeBr₃, PrBr₃, NdBr₃, SmBr₃, EuBr₃, GdBr₃, TbBr₃, DyBr₃, HoBr₃, ErBr₃, TmBr₃, YbBr₃, LuBr₃, CsMgBr₃, LiI, NaI, KI, RbI, CsI, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, YOCl, LaOCl, LaOBr, TlCl, TlBr, TlI, InBr, InI, Li₂O, BeO, N₂O₅, Na₂O, P₂O₃, S₂O₃, K₂O, CaO, Cr₂O₃, MnO₂, CoO, NiO, SrO, ZrO₂, Nb₂O₅, MoO₃, AgO, Sb₂O₃, TeO₂, BaO, WO₃, Re₂O₇, PbO, PuO₂, Y₂O₃, La₂O₃, Ce₂O₃, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃, Lu₂O₃, ThO₂, UO₂, UO₃, Ba₂GdNbO₅, SrGdGa₃O₇, Sc₂Gd₃Ga₃O₁₂, NaLuO₁₂, LiIO₃, LiNbO₃, LiTaO₃, Ba₂NaNb₅O_Fifteen, Y₂O₂S, La₂O₂S, Ce₂O₂S, Pr₂O₂S, Nd₂O₂S, Sm₂O₂S, Eu₂O₂S, Gd₂O₂S, Tb₂O₂S, Dy₂O₂S, Ho₂O₂S, Er₂O₂S, Tm₂O₂S, Yb₂O₂S, Lu₂O₂S, Y₂S₃, La₂S₃, Ce₂S₃, Pr₂S₃, Nd₂S₃, Sm₂S₃, Eu₂S₃, Gd₂S₃, Tb₂S₃, Dy₂S₃, Ho₂S₃, Er₂S₃, Tm₂S₃, Yb₂S₃, Lu₂S₃, B₂O₃, GaBO₃, InBO₃, TlBO₃, ScBO₃, YBO₃, LaBO₃, CeBO₃, PrBO₃, NdBO₃, SmBO₃, EuBO₃, GdBO₃, TbBO₃, DyBO₃, HoBO₃, ErBO₃, TmBO₃, YbBO₃, LuBO₃, CaYBO₄, BaB₂O₄, Cd₂B₂O₅, LiB₃O₅, CsB₃O₅, SrB₄O₇, Al₃TbB₄O₁₂, ZnO, ZnGa₂O₄, MgO, MgGa₂O₄, Mg₂TiO₄, Mg₄Ta₂O₉, TiO₂, CaTiO₃, SrTiO₃, BaTiO₃, PbTiO₃, KTiPO₅, Al₂O₃, LiAlO₂, YAlO₃, BeAl₂O₄, MgAl₂O₄, ZnAl₂O₄, LiAl₅O₈, Y₄Al₂O₉, YAl₃B₄O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, La₃Al₅O₁₂, Ce₅Al₅O₁₂, Pr₃Al₅O₁₂, Nd₃Al₅O₁₂, Sm₃Al₅O₁₂, Eu₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Tb₃Al₅O₁₂, Dy₃Al₅O₁₂, Ho₃Al₅O₁₂, Er₃Al₅O₁₂, Tm₃Al₅O₁₂, Yb₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, LaAl₁₁O₁₈, CeMgAl₁₁O₁₉, TbMgAl₁₁O₁₉, BaAl₁₂O₁₉, BaMg₂Al₁₆O₂₇, Fe₂O₃, Y₃Fe₅O₁₂, La₃Fe₅O₁₂, Ce₃Fe₅O₁₂, Pr₃Fe₅O₁₂, Nd₃Fe₅O₁₂, Sm₃Fe₅O₁₂, Eu₃Fe₅O₁₂, Gd₃Fe₅O₁₂, Tb₃Fe₅O₁₂, Dy₃Fe₅O₁₂, Ho₃Fe₅O₁₂, Er₃Fe₅O₁₂, Tm₃Fe₅O₁₂, Yb₃Fe₅O₁₂, Lu₃Fe₅O₁₂, Y₃Ga₅O₁₂, La₃Ga₅O₁₂, Ce₃Ga₅O₁₂, Pr₃Ga₅O₁₂, Nd₃Ga₅O₁₂, Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅O₁₂, Gd₃Ga₅O₁₂, Tb₃Ga₅O₁₂, Dy₃Ga₅O₁₂, Ho₃Ga₅O₁₂, Er₃Ga₅O₁₂, Tm₃Ga₅O₁₂, Yb₃Ga₅O₁₂, Lu₃Ga₅O₁₂, Y₃Sc₂Ga₅O₁₂, CaPO₃, ScPO₄, YPO₄, LaPO₄, CePO₄, PrPO₄, NdPO₄, EuPO₄, GdPO₄, TbOP₄, DyPO₄, HoPO₄, ErPO₄, TmPO₄, YbPO₄, LuPO₄, Ca₂PO₄Cl, Mg₃    (PO₄)₂, Ca₃(PO₄)₂, Sr₃(PO₄)₂, Ba₃(PO₄)₂, Zn₃(PO₄)₂, Cd₃(PO₄)₂, Mg₅(PO₄)₃F, Mg₅(PO₄)₃Cl, Ca₅(PO₄)₃F, Ca₅(PO₄)₃Cl, Sr₅(PO₄)₃F, Sr₅(PO₄)₃Cl, Ba₅(PO₄)₃F, Ba₅(PO₄)₃Cl, Sr₂P₂O₇, NdP₅O₁₄, SiO₂, BeSiO₃, MgSiO₃, CaSiO₃, SrSiO₃, BaSiO₃, ZnSiO₃, CdSiO₃, Zn₂SiO₄, NaYSiO₄, Y₂SiO₅, La₂SiO₅, Lu₂SiO₅, BeSi₂O₅, MgSi₂O₅, CaSi₂O₅, SrSi₂O₅, BaSi₂O₅, Sc₂Si₂O₇, Be₂SrSi₂O₇, Ca₂MgSi₂O₇, Si₃N₄, GeO₂, Zn₂GeO₄, Cs₂UO₂F₄, Cs₂UO₂Cl₄, Cs₂UO₂Br₄, Cs₃UO₂F₅, Cs₃UO₂Cl₅, Cs₃UO₂Br₅, MgWO₄, CaWO₄, SrWO₄, BaWO₄, AlWO₄, CdWO₄, PbWO₄, Y₂WO₆, MgMoO₄, CaMoO₄, SrMoO₄, BaMoO₄, Li₂MoO₄, Y₂Mo₃O₁₂, La₂Mo₃O₁₂, Ce₂Mo₃O₁₂, Pr₂Mo₃O₁₂, Nd₂Mo₃O₁₂, Sm₂Mo₃O₁₂, Eu₂Mo₃O₁₂, Gd₂Mo₃O₁₂, Tb₂Mo₃O₁₂, Dy₂Mo₃O₁₂, Ho₂Mo₃O₁₂, Er₂Mo₃O₁₂, Tm₂Mo₃O₁₂, Yb₂Mo₃O₁₂, Lu₂Mo₃O₁₂, NaCaVO₄, ScVO₄, YVO₄, Mg₃(VO₄
)₂, Ca₃(VO₄)₂, Sr₃(VO₄)₂, Ba₃(VO₄)₂, Zn₃(VO₄)₂, Cd₃(VO₄)₂, Mg₅(VO₄)₃F, Mg₅(VO₄)₃Cl, Ca₅(VO₄)₃F, Ca₅(VO₄)₃Cl, Sr₅(VO₄)₃F, Sr₅(VO₄)₃Cl, Ba₅(VO₄)₃F, Ba₅(VO₄)₃Cl, CaS, SrS, BaS, CaSe, BaSe, and other fluorides, halides, bromides, iodides, copper halides, silver halides, acid halides, thallium compounds, indium compounds, borates, zinc oxides -Magnesium oxide-Titanium oxide-Aluminate-Garnet-Silicate-Germanate-Ytnium compound-Lanthanum compound-Cerium compound-Praseodymium compound-Neodymium compound-Samarium compound-Europium compound-Gadolinium compound-Terbium compound -Dysprosium compounds-Holmium compounds-Erbium compounds-Thulium compounds-Ytterbium compounds-Lutetium compounds-Uri compounds-Phosphates-Scheele compounds-Sulfides, selenides, etc. That.
[0098]
In addition, diamond, Si, SiC, SiGe, Ge, GaAs, Ga4, GaN, GaSb, AlAs, AlP, AlN, AlSb, InAs, containing at least one kind of the above-mentioned transition metal elements and rare earth elements as impurities. InP, InSb, HgS, HgSe, HgTe, BAs, BP, BN, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Cu₂O, SnO₂, In₂O₃Semiconductor or semi-insulating material can be used.
[0099]
Note that, in the above materials, the transition metal element and the rare earth element usually exist in an ion state, but their valences are not particularly limited.
[0100]
Furthermore, if the technology for fabricating semiconductor devices improves and the non-uniformity of energy levels is reduced to a level similar to that of atomic gas, use of semiconductor quantum structures such as superlattices, quantum wires, and quantum dots Is also possible.
[0101]
In the present invention, the photoexcited transition is a d → d transition involving the 3d level of the primary transition metal ion when exciting the primary transition metal ion, and a d → d transition when exciting the secondary transition metal ion. A d → d transition involving a 4d level, a d → d transition involving a 5d level when exciting a secondary transition metal ion, and a 4f, 5d level when exciting a lanthanoid rare earth ion. The involved f → f transition and f → d transition, and when exciting an actinoid rare earth ion, the f → f transition involving a 5f level is used, respectively.
[0102]
Further, coherent light, that is, laser light is used as the light source. The type of laser is not particularly limited as long as the above-mentioned transition and wavelength match, but it is desirable to use a semiconductor laser which is advantageous for forming a small element.
[0103]
When an oscillating electric field is used as the external field, it is desirable to apply the electric field to the solid through a pair of electrodes, which is also advantageous for forming a small element. Further, when an oscillating magnetic field is used as an external field, it is desirable to apply a magnetic field to the solid through a pair of electromagnets or a cavity resonator having fine holes through which laser light passes.
[0104]
[Action]
By employing the above-described configuration, in the functional element of the present invention, it is possible to obtain a huge quantum interference effect by RQB even in a solid having a large non-uniform spread. Hereinafter, this point will be described in detail with reference to the drawings.
[0105]
In the description of the prior art, it is stated that it is difficult to use a level that forms a band to realize RQB in a solid, and it is necessary to select a system having a discrete level like atomic gas. Was.
[0106]
In addition to the above, the conditions for application to solids are that the level configuration is simple and a three-level system can be set, and a closed system in which electrons do not escape outside the three levels during the excitation process. And the like.
[0107]
From this, as solid candidates used for the present functional element, impurity atom systems such as rare earth ions and transition metal ions dispersed in the crystal, and semiconductor quantum wires and quantum dots in addition to the above-described semiconductor quantum wells are considered. Can be
[0108]
A solid having such characteristics in energy level can be regarded as a kind of pseudo-atom collection. However, these pseudo-atomic systems have not succeeded in modulating remarkable optical transitions as observed in atomic gases at present.
[0109]
This is because the energy level of the pseudoatomic system is spread non-uniformly compared with the atomic gas system, and δω which is the key to cause RQB₁= Δω₂, Δω_ext= 0 (this is one of the detuning conditions of the RQB, which is indicated by a solid line in FIG. 9; the detuning conditions are the same for the Λ-type and the V-type) because the number of pseudoatoms satisfying the condition is extremely small. .
[0110]
From this, it is understood that, in order to realize RQB in a solid, in addition to the above-mentioned application conditions, conditions regarding energy level uniformity are further added.
[0111]
FIG. 11 schematically shows a light absorption spectrum of a pseudoatomic solid having discrete energy levels.
[0112]
In general, even if a pseudo-atomic solid having discrete levels is selected, the line width of the light absorption spectrum is considerably wider than that of the atomic gas. This broad spectral linewidth often results from non-uniform broadening.
[0113]
In the nonuniform spread, as shown in the figure, the energy levels of individual atoms are slightly shifted, but not so far as to be completely decomposed, so that the spectra of many pseudoatoms overlap and spread. The case where it looks like a single spectral line is shown.
[0114]
This spread is mainly due to the fact that the size of the crystal field received by individual pseudo-atoms in the crystal varies due to strain in the solid, especially in the crystal, and as a result, the energy between levels is dispersed when viewed as a whole of the pseudo-atom. Due to doing so. For all the pseudo-atomic systems mentioned above, there is a more or less inhomogeneous spread.
[0115]
FIG. 12 shows a three-level system in which all three transitions have a large inhomogeneity width among pseudo-atoms, and under the condition of relaxation rate> external Rabi frequency, as in the case of one atom shown in FIG. FIG. 9 schematically shows the amounts of absorption and emission of two lights per unit time with respect to the phase of the external field when two lights and one external field are irradiated.
[0116]
From the figure, it can be seen that a vibration structure with a period of π is not observed, and the optical transition is hardly modulated. As a result, RQB cannot be realized in any pseudo-atomic system unless a level for excitation is selected in consideration of non-uniform spread.
[0117]
The following describes how the modulation characteristics such as absorption and emission based on RQB change depending on the distribution characteristics of interlevel energy of a pseudo-atomic system, particularly the standard deviation of interlevel energy, Λ-type, Each case of V-type excitation will be described.
[0118]
Here, the standard deviation of the energy between levels is used as a typical quantity representing the uneven width.
[0119]
(1) In the case of Λ-type excitation
First, two pseudo atoms i and j are considered. Photon energy ω between levels 1.2, 1.3, and 2.3₁, Ω₂, Ω_extConsider the situation where three coherent electromagnetic waves irradiate. Where ω₂= Ω₁+ Ω_extAnd
[0120]
Where the photon energy ω₁, Ω₂, Ω_extAnd interlevel energy ω₁₂, Ω_Thirteen, Ω₂₃Δω₁= Ω₁−ω₁₂, Δω₂= Ω₂−ω_Thirteen, Δω_ext= Ω_ext−ω₂₃Then, these two pseudoatoms are simultaneously δω₁= Δω₂, Δω_ext= 0
ω₂₃(I) = ω₂₃(J) (5)
It becomes.
[0121]
In other words, two pseudo-atoms simultaneously δω₁= Δω₂, Δω_extIn order to satisfy the condition of = 0 and to cause a complete quantum interference state, the energy ω between the lower two levels ω is independent of the energy position of the uppermost level 1.₂₃Are equal for two pseudoatoms.
[0122]
The difference in energy between levels between pseudoatoms is δω₁₂= | Ω₁₂(I) -ω₁₂(J) |, δω_Thirteen= | Ω_Thirteen(I) -ω_Thirteen(J) |, δω₂₃= | Ω₂₃(I) -ω₂₃(J) |
δω₂₃= 0 (6)
Is obtained.
[0123]
Equation (6) is a strict condition for quantum interference. However, in practice, δω is not a perfect condition as in the above equation.₂₃Even when ≠ 0, a quantum interference state can be created.
[0124]
Specifically, δω₂₃Is the rabbi frequency Ω of the external field_extIf it is about the same as or smaller than that, quantum interference can be caused. From this, when a system containing two pseudoatoms is excited by Λ type, δω₂₃Is the following conditional expression,
δω₂₃≤Ω_ext                                              (7)
Satisfying the above significantly contributes to the improvement of the light modulation characteristics.
[0125]
Next, conditions for realizing a quantum interference state simultaneously with n pseudo atoms are considered.
[0126]
n pseudo atoms are simultaneously δω₁= Δω₂, Δω_extStrictly speaking, the condition satisfying = 0 is:
ω₂₃(1) = ω₂₃(2) = …… = ω₂₃(N) (8)
It is.
[0127]
In order to cause a quantum interference state simultaneously in n pseudo atoms, the energy between the lower two levels ω is not dependent on the energy level of the uppermost level 1 again.₂₃Are equal for n pseudo atoms. However, even in this case, even if Equation (8) is not strictly established, a quantum interference state can be created if the following conditions are satisfied.
[0128]
Here, the average value of the energy between levels for n pseudo-atoms is represented by <ω₁₂>, <Ω_Thirteen>, <Ω₂₃> As the standard deviation of the energy between each level,
σ₁₂= ｛(1 / n) Σ [ω₁₂(I) − <ω₁₂>^{] 2}｝^1/2              (9a)
σ_Thirteen= ｛(1 / n) Σ [ω_Thirteen(I) − <ω_Thirteen>^{] 2}｝^1/2              (9b)
σ₂₃= ｛(1 / n) Σ [ω₂₃(I) − <ω₂₃>^{] 2}｝^1/2              (9c)
Is introduced.
[0129]
Ravi frequency of external field Ω_extAnd standard deviation σ₁₂, Σ_Thirteen, Σ₂₃The energy width at which the Rabi frequency causes a quantum interference state, σ₁₂, Σ_ThirteenCorresponds to the spectral linewidth of each transition, so Ω_ext≤σ₁₂, Ω_ext≤σ_ThirteenRespectively hold.
[0130]
From this equation and equations (7) and (8), the effective conditions for all n pseudo-atoms to be in the quantum interference state are:
σ₂₃≤σ₁₂                                              (10a)
σ₂₃≤σ_Thirteen                                              (10b)
Given by
[0131]
FIG. 13 schematically illustrates conditions for realizing quantum interference simultaneously with a large number of pseudo atoms.
[0132]
The ordinate and abscissa of the figure are the photon energies ω of the lights 1 and 2.₁, Ω₂Where the points plotted on this two-dimensional plane are the energy positions (ω₁₂(N), ω_Thirteen(N)).
[0133]
As shown in FIG. 13, ω₂₃When the non-uniform width is small and distributed along a 45-degree line on this two-dimensional plane, all pseudo-atoms interacting with the three electromagnetic waves can be brought into a quantum interference state.
[0134]
As described above, in order to realize RQB by Λ-type excitation in a solid, it is indispensable to select a system in which the nonuniform spread between the levels 2 and 3 is small.
[0135]
Here, as described in the section for solving the problem, in rare-earth ions, factors other than the crystal field and the spin-orbit interaction, such as hyperfine-coupling between the f electron and the nucleus and the quadrupole interaction of the nucleus, are considered. Spin-orbit interaction between d-electrons, hyperfine-coupling between d-electrons and nuclei, and quadrupole interaction between nuclei in transition metal ions (and in hyperfine structures). It is known that the nonuniform spread of the transition is specifically reduced between two levels in a microstructure or a hyperfine structure split due to factors other than the crystal field such as the action.
[0136]
Therefore, three levels suitable for Λ-type excitation can be obtained for the first time by using solid materials containing rare-earth ions and transition metal ions, which can obtain information on the distribution of non-uniform spread by considering the contents of the interaction. Can be set.
[0137]
(2) V-type excitation
First, two pseudo atoms p and q are considered. Photon energy ω between levels 1.2, 1.3, and 2.3_ext, Ω₂, Ω₁Consider the situation where three coherent electromagnetic waves irradiate. Where ω₂= Ω₁+ Ω_extAnd
[0138]
Where the photon energy ω_ext, Ω₂, Ω₁And interlevel energy ω₁₂, Ω_Thirteen, Ω₂₃Δω_ext= Ω_ext−ω₁₂, Δω₂= Ω₂−ω_Thirteen, Δω₁= Ω₁−ω₂₃Then, these two pseudoatoms are simultaneously δω₁= Δω₂, Δω_ext= 0
ω₁₂(P) = ω₁₂(Q) (11)
It becomes.
[0139]
In other words, two pseudo-atoms simultaneously δω₁= Δω₂, Δω_extIn order to satisfy = 0 and cause a complete quantum interference state, the energy ω between the upper two levels ω is independent of the energy position of the lowermost level 3.₁₂Are equal for two pseudoatoms.
[0140]
Hereinafter, based on the same discussion as in the case of Λ-type excitation, effective conditions for simultaneously realizing a quantum interference state with n pseudo atoms are as follows:
σ₁₂≤σ_Thirteen                                              (12a)
σ₁₂≤σ₂₃                                              (12b)
Is obtained.
[0141]
FIG. 14 schematically shows conditions for realizing quantum interference simultaneously with a large number of pseudo atoms.
[0142]
The ordinate and abscissa of the figure are the photon energies ω of the lights 1 and 2.₁, Ω₂Where the points plotted on this two-dimensional plane are the energy positions (ω_Thirteen(N), ω₂₃(N)).
[0143]
As shown in FIG. 14, ω₁₂When the non-uniform width is small and distributed along a 45-degree line on this two-dimensional plane, all pseudo-atoms interacting with the three electromagnetic waves can be brought into a quantum interference state.
[0144]
Thus, in order to realize RQB by V-type excitation in a solid, it is indispensable to select a system in which the nonuniform spread between the levels 1 and 2 is small.
[0145]
Here, as described in the section for solving the problem, in rare-earth ions, factors other than the crystal field and the spin-orbit interaction, such as hyperfine-coupling between the f electron and the nucleus and the quadrupole interaction of the nucleus, are considered. Crystals such as two-levels in microstructures and hyperfine structures split by, and in transition metal ions, spin-orbit interaction between d electrons, hyperfine-coupling between d electrons and nuclei, quadrupole interaction of nuclei, etc. It is known that the nonuniform spread of transitions is specifically reduced in two levels in a microstructure or hyperfine structure split by factors other than the field.
[0146]
Therefore, three levels suitable for V-type excitation can be obtained for the first time by using a rare earth ion or a solid material containing a transition metal ion, which can obtain information on the distribution of non-uniform spread by considering the contents of the interaction. Can be set.
[0147]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0148]
(1st Embodiment)
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a basic configuration of the light modulation element according to the first embodiment of the present invention.
[0149]
This optical modulation element quantum-mechanically controls the transmission intensity of two light signals and the emission intensity from the RQB medium by applying a high-frequency electric field as an external field to an RQB medium (solid that causes EIT). Is what you do.
[0150]
That is, the light modulation element of the present embodiment changes the transmission intensity of the signal light and its own light emission intensity (light emission from level 1 in Λ-type excitation, light emission from level 1 and level 2 in V-type excitation). The RQB medium 11 to be applied, a pair of electrodes 12 (an external field is a high-frequency electric field) provided in contact with the RQB medium 11, and a high-frequency electric field source for exciting the RQB medium 11 through the pair of electrodes 12. High-frequency power supply 13, signal light source (not shown), and signal light 14 emitted from this signal light source₁, 14₂Fiber 15 for guiding the light to the RQB medium 11₁, 15₂It is composed of
[0151]
In the figure, the signal light 16 output from the RQB medium 11 is shown.₁, 16₂Also shown are a photodiode 17 for measuring the intensity of light and a photodiode 19 for measuring the intensity of light (light emission) 18 emitted from the RQB medium 11.
[0152]
Instead of the pair of electrodes 12, a pair of electromagnets (an external field is a high-frequency magnetic field) or a cavity resonator (an external field is a high-frequency magnetic field) may be used. A high frequency power supply is used in all cases. In the case of a cavity resonator, the shape of the cavity resonator is selected so that the external field acting on the RQB medium 11 is substantially only a high-frequency magnetic field.
[0153]
Here, the signal light source is the signal light 14.₁, 14₂Although two laser light sources may be used in correspondence with the two laser lights,₁, 14₂If the frequency is slightly different from GHz or less, two lights can be generated from one laser light source by an amplitude modulation method using an acousto-optic device (hereinafter abbreviated as AO device) as shown below. it can. In the present light modulating element, the two lights obtained by this method are converted to signal light 14.₁, 14₂Use as
[0154]
The advantage of this method is that alignment in the RQB medium 11 is not necessary in principle because the two lights completely overlap.
[0155]
In this method, the output light from one laser is previously input to an AO element capable of analog modulation, and the output light (diffraction light) from the AO element is transmitted to an optical fiber 15.₁, 15₂The optical path is adjusted so as to be incident on the RQB medium 11 via the.
[0156]
Now, the magnitude of the photoelectric field polarized in the same direction is E_LAnd each frequency is [ω_LConsider a situation in which two lights of ± (1/2) δω] propagate coaxially in the same direction. At this time, the combined electric field E of the two lights_TOTIs

It becomes.
[0157]
The intensity of the two lights is proportional to the square of the combined electric field as shown in the following equation.
[0158]

α = (ε / μ^{) 1/2}Where ε is the dielectric constant, μ is the magnetic permeability As is clear from the second {...} term in the equation (14), the expression relating to the intensity of the two lights has a frequency of ω_LWhere the amplitude intensity is the same as that of one light beam 100% modulated at the frequency δω.
[0159]
Thus, in the present light modulating element, two lights propagating in the same direction coaxially from one light were produced by applying amplitude modulation to the output of the AO element.
[0160]
The output (high-frequency voltage) of the high-frequency power supply 13 is amplified by a high-speed power amplifier, and the amplified high-frequency voltage is applied to the pair of electrodes 12.
[0161]
Next, the light modulation element of the present embodiment will be described in more detail.
[0162]
In the present embodiment, the RQB medium 11 has Pr³⁺YAlO in which ions are dispersed as impurities by 0.05%₃And one CW dye laser was used as a signal light source.
[0163]
FIG.³⁺Indicates the energy level of the ion. Ground state³H₄(0) and excited state¹D₂(0) is a singlet when viewed electronically, but is finely split into three levels (fine structure) by quadrupole interaction when nuclear spin is considered.³H₄(0) ← →¹D₂(0) There are a total of nine transitions, all of which are electric dipole-allowed.
[0164]
Also,³H₄(0),¹D₂(0) For both microstructures, all transitions between microstructures are electric dipole-tolerant. In addition,³H₄(0) ← →¹D₂(0) The non-uniform width of the transition is as wide as about 5 GHz, whereas the non-uniform width between the fine structures is as narrow as several kHz to several tens kHz.
[0165]
Two signal lights 14₁, 14₂Is the frequency difference δω of¹D₂It was adjusted by the amplitude modulation method using an AO element so as to match the interval (0.92 MHz) between the microstructures of (0).
[0166]
In addition, a high-frequency electric field of 0.92 MHz is used as an external field,¹D₂(0) was excited between the microstructures. Thus, in the present light modulation element, Pr³⁺The three levels of the ions are excited to V-type and the signal light 14 is emitted.₁, 14₂Tried modulation. The signal light 14₁, 14₂Is about 1 mW, and the external electric field strength is about 2 × 10²V / cm.
[0167]
For the device configured in this manner, two signal lights 14₁, 14₂While changing the phase between the beat and the external field, two signal lights 14₁, 14₂The transmission intensity of¹D₂The emission intensity from (0) was examined.
[0168]
FIG. 17 shows two signal lights 14.₁, 14₂Transmission intensity and¹D₂The phase dependence of the emission intensity from (0) is shown. In the drawing, the phase indicated on the horizontal axis is relative and deviates from the original phase value.
[0169]
As can be seen from the figure, the transmission intensity and the fluorescence intensity depended strongly on the phase, and oscillated with a period of π. Comparing FIG. 7 with FIG. 7 above, it can be seen that the behavior of the absorption / emission characteristics with respect to the phase agrees well with each other, and that the quantum interference effect is exhibited in the present embodiment.
[0170]
(Comparative Example 1)
At the top level 1¹D₂On behalf of (0)³P₀One level is selected from the fine structure of (0), and the external field is a high-frequency electric field.¹D₂(0) ← →³P₀(0) Change to infrared laser light corresponding to transition, and further to signal light³H₄(0) ← →¹D₂(0) Transition and³H₄(0) ← →³P₀(0) Using two colors (orange and blue) of laser light corresponding to the transition, the light modulation characteristics with V-type excitation were measured in the same manner as in the first embodiment.
[0171]
Here, blue light was obtained by using a nonlinear crystal to generate a sum frequency of orange light and infrared light. As a result, the frequencies of the infrared light, which is the external field, and the beats of the blue light and the orange light completely match.
[0172]
The phase of the external field was changed by changing only the optical path length of infrared light using a piezo element.
[0173]
FIG. 18 shows two signal lights 14.₁, 14₂Transmission intensity and¹D₂(0) and³P₀The phase dependence of the emission intensity from (0) is shown.
[0174]
From the figure, the signal light 14₁, 14₂It can be seen that the absorption of light and the light emission from the RQB medium 11 show a constant value regardless of the phase.
[0175]
Here, looking at the non-uniform width of each transition, all three transitions have a non-uniform width of about 5 GHz. This means that in this three-level system, all three levels are unevenly distributed. From this, it can be seen that in order to realize RQB in a solid, three levels must be selected after first grasping the size of the non-uniform width.
[0176]
(Second embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0177]
However, in the present embodiment, the RQB medium 11 contains Cr³⁺Al in which ions are dispersed by 0.05% as impurities₂O₃Two CW titanium sapphire lasers were used as signal light sources.
[0178]
FIG.³⁺Indicates the energy level of the ion. Ground state⁴A₂And excited states²E degenerates four-fold in the case where only a cubic symmetric crystal field is considered as an interaction, but is actually split into two levels (fine structure) by spin-orbit interaction.
[0179]
⁴A₂← →²Since E involves spin reversal, the oscillator strength is small, but photoexcitation is possible, and magnetic dipoles are allowed between fine structures.
[0180]
In addition,⁴A₂← →²The non-uniform width of the E transition is as wide as about 4 GHz, whereas the non-uniform width between the fine structures is as narrow as about several MHz.
[0181]
Two signal lights 14₁, 14₂Is the frequency difference δω of⁴A₂Was adjusted to match the interval (11.4 GHz) between the microstructures. Specifically, the beats of two lights were measured at a position different from the RQB medium 11 so that the frequency difference δω always kept 11.4 GHz, and the laser control system was fed back.
[0182]
Using a high frequency magnetic field of 11.4 GHz as the external field,⁴A₂Was excited between the microstructures. Thus, in the present light modulating element, Cr³⁺Attempts to modulate signal light by exciting three levels of ions into a Λ-type.
[0183]
In the first embodiment, the pair of electrodes 12 is provided on the RQB medium 11, but in the present embodiment, the pair of electrodes 12 is 20 MW / cm.²The RQB medium 11 is arranged in a cavity resonator in order to apply a strong high-frequency magnetic field.
[0184]
The signal light 14 is provided at both ends of the cavity resonator.₁, 14₂Small holes are provided for entry and exit. Signal light 14₁, 14₂Is about 6 mW.
[0185]
For the device configured in this manner, two signal lights 14₁, 14₂While changing the phase between the beat and the external field, two signal lights 14₁, 14₂The transmission intensity of²The emission intensity from E was examined.
[0186]
FIG. 21 shows two signal lights 14.₁, 14₂Transmission intensity and²The phase dependence of the emission intensity from E is shown.
[0187]
As can be seen, the transmission intensity and the fluorescence intensity oscillated with a period π depending on the phase. Comparing this figure with the previous FIGS. 7 and 17, the behaviors of the absorption / emission characteristics with respect to the phase are in good agreement with each other, and it was confirmed that the quantum interference effect was also exhibited in this embodiment. .
[0188]
In the present embodiment, another measurement method was used to confirm that the quantum interference effect actually occurred.
[0189]
FIG. 20 shows that the frequency difference δω between the two signal lights is changed while the phase is fixed.¹D₂The result of monitoring the emission intensity from (0) is shown.
[0190]
As shown in FIG. 20A, when the value of the phase is set to a value at which the light emission intensity is minimized in FIG. 17 (here, about 0.4π), the light emission intensity increases when δω is removed from the resonance frequency. I do.
[0191]
This result indicates that when δω coincides with the resonance frequency, light absorption of the present element is suppressed. From this, it can be seen that a destructive interference effect is induced when the phase is 0.4π ± nπ.
[0192]
Conversely, as shown in FIG. 20B, when the value of the phase is set to the value at which the light emission intensity becomes maximum (here, about 0.9π), the light emission intensity is then set by removing δω from the resonance frequency. Decreases and matches the value of FIG.
[0193]
This result indicates that when δω coincides with the resonance frequency, the light absorption of this element is amplified. From this, it can be seen that when the phase is 0.9π ± nπ, a synergistic interference effect is induced.
[0194]
(Third embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0195]
However, in this embodiment, the RQB medium 11 has Pr³⁺Y in which ions are dispersed as impurities by 0.02%₂SiO₅And one CW dye laser was used as a signal light source.
[0196]
FIG.³⁺Indicates the energy level of the ion. Y₂SiO₅Pr inside³⁺Ions have two types of sites, and both sites are in the ground state³H₄(0) and excited state¹D₂(0) is split into three levels by quadrupole interaction.
[0197]
Per site³H₄(0) ← →¹D₂(0) There are nine transitions, all of which are electric dipole-allowed. Also,³H₄(0),¹D₂(0) For both microstructures, all transitions between microstructures are electric dipole-tolerant.
[0198]
In addition,³H₄(0) ← →¹D₂(0) The non-uniform width of the transition is as wide as about 4 GHz at the site 1 and about 3 GHz at the site 2, whereas the non-uniform width between the fine structures is as narrow as about several tens of kHz.
[0199]
Two signal lights 14₁, 14₂Of the site 1³H₄It was adjusted by the amplitude modulation method using an AO element so as to match the interval (17.3 MHz) between the fine structures of (0).
[0200]
In addition, a high frequency electric field of 17.3 MHz is used as an external field,³H₄(0) was excited between the microstructures. Thus, in the present light modulation element, Pr³⁺The three levels of the ions are excited into a Λ shape, and the signal light 14₁, 14₂Tried modulation.
[0201]
The signal light 14₁, 14₂Is about 0.5 mW, and the external electric field strength is about 7 × 10²V / cm.
[0202]
For the device configured in this manner, two signal lights 14₁, 14₂While changing the phase between the beat and the external field, two signal lights 14₁, 14₂The transmission intensity of¹D₂The emission intensity from (0) was examined.
[0203]
FIG. 23 shows two signal lights 14.₁, 14₂Transmission intensity and¹D₂The phase dependence of the emission intensity from (0) is shown.
[0204]
As shown in the figure, the transmission intensity and the fluorescence intensity oscillated with a period π depending on the phase. From this, it was confirmed that the quantum interference effect was also exhibited in the present embodiment.
[0205]
(Fourth embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0206]
However, in this embodiment, the RQB medium 11 has Tb³⁺YLiF in which ions are dispersed as impurities by 0.01%₄And one CW dye laser was used as a signal light source.
[0207]
FIG.³⁺Indicates the energy level of the ion.
[0208]
Ground state⁷F₆(0) and excited state⁵D₄Although (0) is a singlet when viewed electronically, it is split into two levels by a quadrupole interaction when nuclear spin is considered.
[0209]
⁷F₆(0) ← →⁵D₄(0) There are a total of four transitions, all of which are electric dipole-allowed. Also,⁷F₆(0),⁵D₄(0) For both microstructures, all transitions between microstructures are electric dipole-tolerant.
[0210]
In addition,⁷F₆(0) ← →¹D₂(0) The non-uniform width of the transition is as wide as about 0.8 GHz, whereas the non-uniform width between the fine structures is as narrow as several hundred Hz to several kHz.
[0211]
Using a high-frequency magnetic field of 1.36 GHz as the external field,⁷F₆(0) was excited between the microstructures.
[0212]
In addition, the signal light 14₁, 14₂The output from one laser is divided into two by a beam splitter, and each is frequency-shifted through an AO element, and the frequency difference δω between⁷F₆Two lights were prepared so as to coincide with the microstructures of (0).
[0213]
Thus, in the present light modulation element, Tb³⁺Attempts to modulate signal light by exciting three levels of ions into a Λ-type.
[0214]
In the first embodiment, a pair of electrodes 12 is used, but in the present embodiment, 80 MW / cm.²The RQB medium 11 is arranged in a cavity resonator in order to apply a strong high-frequency magnetic field. Each signal light 14₁, 14₂Are about 8 mW.
[0215]
With respect to the element configured as described above, the two signal lights 14 are changed while changing the phase of the external field.₁, 14₂Each transmission intensity was examined.
[0216]
FIG. 25 shows two signal lights 14.₁, 14₂Shows the phase dependence of the transmission intensity of each of the above.
[0217]
As can be seen, the two signal lights 14₁, 14₂Transmitted in a period of 2π depending on the phase. Which signal light 14₁, 14₂In the case of, a gain is generated around the phase at which the transmission intensity is maximum, and the behavior of the transmission intensity with respect to the phase is just inverted by the two lights, and the phase is shifted by π. From this, it has been found that in the present embodiment, a gain occurs without the population inversion shown in FIG.
[0218]
(Fifth embodiment)
FIG. 26 is a schematic diagram showing a basic configuration of an LWI laser device according to the fifth embodiment of the present invention.
[0219]
This LWI laser element controls the laser oscillation intensity from the RQB medium quantum mechanically by applying a high-frequency electric field as an external field to the RQB medium.
[0220]
That is, the LWI laser according to the present embodiment includes an RQB medium 21 which performs laser oscillation, a pair of mirrors 22 provided at a predetermined distance from the RQB medium 21, and a pair of electrodes provided in contact with the RQB medium 21. 23 (an external field is a high-frequency electric field); a high-frequency power source 24 as a high-frequency electric field source for exciting the RQB medium 21 through the pair of electrodes 23;₁, 25₂And these pumping light sources 25₁, 25₂Pumping light 26 that emits electrons from the₁, 26₂And an optical fiber (not shown) for guiding the light to the RQB medium 21.
[0221]
FIG. 2 also shows a photodiode 28 for measuring the intensity of the LWI laser light 27 emitted from the RQB medium 21.
[0222]
Here, the pumping light source 25₁Is a laser coherent light source;₂Is an incoherent light source such as a lamp.
[0223]
Instead of the pair of electrodes 23, a pair of electromagnets (an external field is a high-frequency magnetic field) or a cavity resonator (an external field is a high-frequency magnetic field) may be used. In each case, a high frequency power supply is used. In the case of a cavity resonator, the shape of the cavity resonator is selected so that the external field acting on the RQB medium 11 is substantially a high-frequency magnetic field.
[0224]
FIG. 27 shows a schematic level scheme of the present LWI laser.
[0225]
Here, the frequency ω is used as the pumping light.₁(Ω₂), The laser oscillates at the frequency ω as shown in FIG.₂(Ω₁) And the frequency ω₁, Ω₂When oscillating at both transitions, as shown in FIG. 27B, a laser beam 3 (in this case, the light 3 may be incoherent light) that can be excited to the level 4 is used.
[0226]
In order to increase the laser oscillation intensity by one-wavelength oscillation, it is desirable to use light 2 and light 3 (light 1 and light 3) together. In the drawing, reference numeral 26 denotes a pumping light 26.₁, 26₂Is shown.
[0227]
(Sixth embodiment)
As described above, in the fourth embodiment, it has been found that the gain occurs without the population inversion.
[0228]
Therefore, in the LWI laser device having the configuration of FIG. 26, the same RQB medium 11 as in the fourth embodiment was used as the RQB medium 21, and the LWI characteristics thereof were examined.
[0229]
In the present embodiment, the pumping light source 25₂Use a laser light source for⁷F₆(0) ← →¹D₂(0) was excited. Accordingly, in the present LWI laser device, first, laser oscillation was attempted in a scheme of the type shown in FIG.
[0230]
In the fifth embodiment, a pair of electrodes 23 is used, but in the present embodiment, 50 MW / cm is used.²The RQB medium 11 is arranged in a cavity resonator in order to apply a strong high-frequency magnetic field.
[0231]
Further, both ends of the cavity resonator are mirror surfaces so as to function as optical resonators, and the positions of the mirror surfaces can be moved and adjusted by piezo elements. Further, the pumping light 26₁, 26₂The reflectivity of the mirror surface is optimized such that is effectively confined within the cavity resonator.
[0232]
For the device configured in this way, the pumping light 26₁, 26₂As you increase the strength of⁷F₆(0) ← →¹D₂Blue oscillation light corresponding to (0) was obtained. However, the strength was extremely weak.
[0233]
Therefore, next, laser oscillation was attempted in a scheme of the type shown in FIG. In addition, 50 MW / cm as before.²The RQB medium 11 is also arranged in the cavity resonator in order to apply a strong high frequency magnetic field. Further, a window is provided on a side surface of the cavity resonator so that xenon light can effectively excite the RQB medium 11.
[0234]
With respect to the element configured as described above, the external field strength was set to 50 MW / cm.²And the pumping light 26₁, 26₂The strength of the⁷F₆(0) ← →⁵D₄(0) The state of laser oscillation at the transition was examined.
[0235]
FIG. 28A shows the dependence of the oscillation intensity on the pumping intensity. From the figure, at almost zero threshold⁷F₆(0) ← →⁵D₄(0) It can be seen that the transition causes laser oscillation.
[0236]
In addition, looking at the time dependence of the oscillated laser light, the laser light was periodically vibrated as shown in FIG. When this vibration was subjected to Fourier transform, a peak appeared at a position exactly at 1.36 GHz.
[0237]
This is nothing but the fact that two coherent lights whose frequency difference δω is different by 1.36 GHz are oscillating. From this result and the above gain result, it is understood that laser oscillation is realized at a substantially zero threshold value in the present embodiment due to the quantum interference effect.
[0238]
(Seventh embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0239]
However, in the present embodiment, the frequency difference between the two signal lights (ω₂−ω₁) Is the frequency ω of the external high-frequency electric field_extIt has been adjusted to be a positive integer multiple of. Note that such excitation conditions (ω₂−ω₁= N · ω_ext; N is any natural number) is the frequency δω of the amplitude modulation applied to the AO element, δω = N · ω_ext/ 2 can be easily achieved.
[0240]
ω_extIs 0.92 MHz as in the first embodiment, and Pr³⁺YAlO with 0.05% ion dispersion₃In¹D₂(0) Exciting between fine structures. (Ω₂−ω₁) Does not coincide with the energy difference between the fine structures, the transmission intensity and the fluorescence intensity can be changed by changing the phase for the following reasons.
[0241]
FIG. 29 schematically shows energy levels of two-level atoms that strongly interact with one laser beam. When there is no laser light, the atoms are composed of only two levels, as shown in FIG.
[0242]
Here, when the laser light strongly acts on the atoms, the energy level of the atoms changes as shown in FIG._LThe levels change to infinite step-like levels (each level is composed of two degenerate levels in the figure) at infinite intervals. This step-like level is usually called dressed-states.
[0243]
When a high-frequency electric field is strongly applied to two levels in the microstructure, such a step-like level can also be formed. Therefore, ω₂−ω₁= N · ω_extIn this case, as shown in FIG. 30, the (N + 2) level can be excited so as to be closed by two laser beams and one high-frequency electric field. Under the condition of closed excitation, changing the phase of the external field changes the phase intensity and the fluorescence intensity regardless of the level number.
[0244]
However, the modulation period strongly depends on the number of levels. For example, when attention is paid to the maximum value of the transmission intensity, there are 2N phases having a maximum value between 0 and 2π. From this, conversely, by examining the modulation period of the signal light, it is possible to examine whether some actual levels are involved in this phenomenon.
[0245]
In the present embodiment, ω₂−ω₁= 1.84 MHz, 2.76 MHz, 3.68 MHz, 4.60 MHz, 5.52 MHz (that is, N = 2, 3, 4, 5, 6), and an attempt was made to modulate the signal light. The incident intensity of the signal light was approximately 1 mW, and the electric field intensity of the external field was approximately 2 × 10²V / cm.
[0246]
For the element configured as above, while changing the phase of the external field,¹D₂The emission intensity from (0) was examined. FIG. 31 shows the result. In the drawing, the phase indicated on the horizontal axis is relative and deviates from the original value.
[0247]
As can be seen, the emission intensity is strongly dependent on the phase and₂−ω₁The larger the is, the shorter the modulation cycle is. Comparing this figure with the quantum interference characteristic at the above (N + 2) level, the behavior of the absorption / emission characteristics with respect to the phase agrees well with each other, and the quantum interference effect also appears in this embodiment. You can see that.
[0248]
(Eighth embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0249]
However, in the present embodiment, the frequency ω of the high-frequency magnetic field as an external field is_extIs Pr³⁺YAlO with 0.05% ion dispersion₃In¹D₂(0) smaller than the energy difference ω between fine structures, N · ω_ext= Ω (N is an arbitrary natural number). In the present embodiment, N · ω_extIs 0.92 MHz similarly to the first embodiment, and the frequency difference ω between the two signal lights is₂−ω₁Is also adjusted to 0.92 MHz.
[0250]
Even when the frequency of the high-frequency magnetic field is small, ω_extIs closer to ω, N-order nonlinear effects can excite the fine structures of impurity ions. Therefore, if such a nonlinear effect is used, even when the matrix absorbs a high-frequency electric field near ω, only the impurity ions can be efficiently excited using a high-frequency electric field having a period different from ω. It becomes possible to do. Note that ω₂−ω₁= N · ω_extIs satisfied, the absorption and emission of ions can be freely changed by the quantum interference effect, as described in the seventh embodiment.
[0251]
In the present embodiment, ω_ext= 0.46 MHz, 0.31 MHz, and 0.23 MHz (that is, N = 2, 3, 4), and an attempt was made to modulate the signal light. The incident intensity of the signal light was approximately 1 mW, and the electric field intensity of the external field was approximately 2 × 10²V / cm.
[0252]
For the element configured as above, while changing the phase of the external field,¹D₂The emission intensity from (0) was examined. FIG. 32 shows the result. As can be seen, the fluorescence intensity is strongly dependent on the phase and_extThe smaller the is, the shorter the modulation period. From this, it can be seen that the quantum interference effect is exhibited in the present embodiment.
[0253]
(Ninth embodiment)
The basic configuration of the light modulation element of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0254]
However, in this embodiment, one coherent pulse light is used instead of two signal lights. When pulse light is used, light absorption and light emission can be changed by changing the phase of an external field for the following reasons.
[0255]
FIG. 33 schematically shows a three-level atom composed of two lower levels and one upper level. Two types of methods are known for coherently exciting light between the lower two levels and the upper level with light.
[0256]
One is a method of exciting with two CW laser beams having different wavelengths, as described above. The other is a method of exciting the lower two levels with one coherent pulse light having an energy width larger than the energy difference ω.
[0257]
It is generally known from the uncertainty principle that pulsed light having a finite time width has its photon energy (frequency) spread by the reciprocal of the time width. That is, assuming that the time width (pulse duration) of the pulse light is Δt, the frequency spreads by about 2π / Δt.
[0258]
Thus, when pulse light having a time width (pulse duration) shorter than 2π / ω is used, lower two levels can be coherently excited in the same manner as when two CW lights are excited. I have. Therefore, when combined with an external field, RQB (quantum interference due to closed excitation) can be realized even for pulsed light.
[0259]
In this embodiment, a high-frequency electric field is used as an external field, and Pr³⁺YAlO with 0.05% ion dispersion₃In³H₄(0) Attempt was made to modulate a pulse laser, which is a signal light, while exciting between fine structures.
[0260]
The frequency of the high-frequency magnetic field was 21.15 MHz and the intensity was 2 × 10²V / cm. The pulsed light used was a dye laser light excited by a nitrogen laser. Center frequency is 16375cm^-1, The time width is 30 nsec, and the intensity is 2 nJ.
[0261]
The center frequency of the pulse light is³H₄(0) and¹D₂It is adjusted to match the energy difference with (0). The energy width (frequency width) is about 33 MHz, and as described above,³H₄The microstructure of (0) can be excited simultaneously.
[0262]
For the element configured as above, while changing the phase of the external field,¹D₂The emission intensity from (0) has been described. As shown in FIG. 34, the emission intensity strongly depended on the phase. From this, it is understood that the quantum interference effect is exhibited in the present embodiment.
[0263]
In addition, even when the frequency of the high frequency electric field as an external field was set to half of 21.15 MHz, the transmission intensity and the emission intensity depended strongly on the phase. From this, it can be seen that the quantum interference effect is exhibited in the present embodiment.
[0264]
In addition, even when the frequency of the high frequency electric field as an external field was set to half of 21.15 MHz, the transmission intensity and the emission intensity strongly depended on the phase. Therefore, even when pulse light is used, the eighth embodiment (ω_extIt was found that the same quantum interference characteristics as those obtained by dividing the energy difference between the fine structures by a positive integer were obtained.
[0265]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the case where an electric field, a magnetic field, or the like is used as an external field has been described. However, another external field such as an electromagnetic wave may be used as long as it can excite between predetermined levels. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0266]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, if the conditional expression relating to the standard deviation of the energy between levels discovered for the first time by the present inventors is satisfied, a large non-uniform spread occurs in a transition in which light excitation is to be performed in a solid. However, since RQB is induced simultaneously in almost all quantum structures, a functional element at a practical level based on the quantum interference effect can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a basic concept of a quantum interference effect.
FIG. 2 is a qualitative energy diagram showing a relationship between three energy levels in an atomic gas and two coherent lights for explaining a basic principle of EIT.
FIG. 3 shows the frequency ω of light 1 when an atomic gas is excited by a Λ type with respect to EIT.₁Is the frequency ω of light 2 in a fixed state₂Figure showing qualitative optical absorption spectra of atomic gas, investigated while changing
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the physical origin of EIT.
FIG. 5 is a qualitative energy diagram showing the relationship between energy levels in atomic gas and coherent light for explaining the basic principle of LWI based on EIT.
FIG. 6 is a qualitative energy diagram showing a relationship between three energy levels in an atomic gas, two coherent light beams, and one coherent external field for explaining a basic principle of RQB according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the phase dependence of absorption and emission under the condition of relaxation rate> rabbit frequency outside field, calculated from the density matrix to explain the optical characteristics of the RQB according to the present invention.
FIG. 8 is an energy diagram for explaining optical characteristics of the RQB according to the present invention, in particular, how a gain occurs without population inversion under the condition of external field Rabi frequency> relaxation speed.
FIG. 9 shows the detuning conditions for the RQB according to the present invention for the Λ-type excited atomic gas to cause a quantum interference effect (ω₂, Ω₁)Plan view
FIG. 10 is a view for explaining a crystal field acting on a rare-earth ion having one f-electron.
FIG. 11 is a diagram showing a qualitative spectrum for explaining non-uniform spread of a transition;
FIG. 12 shows the absorption and the absorption under the condition of relaxation rate> external Rabi frequency calculated from the density matrix to explain that RQB cannot be observed at all in a three-level system in which all three transitions are unevenly spread. Diagram showing phase dependence of light emission
FIG. 13 shows a detuning condition for an RQB according to the present invention in which a large number of pseudo-atoms excited by Λ type simultaneously cause a quantum interference effect (ω₂, Ω₁)Plan view
FIG. 14 shows a detuning condition for a RQB according to the present invention in which a large number of V-type excited pseudo-atoms simultaneously cause a quantum interference effect (ω₂, Ω₁)Plan view
FIG. 15 is a schematic diagram showing a basic configuration of a light modulation element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 shows Pr in the RQB medium of the light modulation element.³⁺Ion energy level diagram
FIG. 17 is a diagram showing phase dependence of light absorption and light emission of the light modulation element.
FIG. 18 is a diagram showing the phase dependence of light absorption and light emission of the light modulation element of Comparative Example 1.
FIG. 19 is a diagram showing Cr in the RQB medium of the light modulation element according to the second embodiment of the present invention.³⁺Ion energy level diagram
FIG. 20 is a diagram showing δω dependence of light emission of the light modulation element.
FIG. 21 is a view showing phase dependence of light absorption and light emission of the light modulation element.
FIG. 22 shows Pr in an RQB medium of an optical modulation element according to a third embodiment of the present invention.³⁺Ion energy level diagram
FIG. 23 is a view showing phase dependence of light absorption and light emission of the light modulation element.
FIG. 24 shows Tb in an RQB medium of an optical modulation element according to a fourth embodiment of the present invention.³⁺Ion energy level diagram
FIG. 25 is a view showing the phase dependence of light absorption of the light modulation element.
FIG. 26 is a schematic view showing a configuration of an LWI laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a qualitative energy diagram showing a relationship between an energy level, pumping light, and an external field for the same LWI laser element.
FIG. 28 is a diagram showing pumping intensity dependence of oscillation intensity and time behavior of oscillation light of an LWI laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a diagram schematically illustrating energy levels of two-level atoms strongly interacting with laser light, for explaining dressed-states.
FIG. 30 is a diagram illustrating a relationship between an (N + 2) level, two coherent light beams, and one coherent external field for explaining RQB according to the present invention.
FIG. 31 is a view showing phase dependence of light emission of a light modulation element according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a view showing the phase dependence of light emission of the light modulation element according to the eighth embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a diagram illustrating a relationship between three energy levels, one coherent pulsed light, and one coherent external field for explaining RQB according to the present invention.
FIG. 34 is a view showing the phase dependence of light emission of a light modulation element according to a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 ... RQB medium
12 ... Electrode (external field applying means)
13. High frequency power supply (external field applying means)
14₁, 14₂… Signal light (input light)
Fifteen₁, 15₂… Optical fiber
16₁, 16₂… Signal light (transmitted light)
17 ... photodiode
18 ... Light emission
19 Photodiode
21 ... RQB medium
22 ... Mirror
23 ... electrode (external field applying means)
24 ... High frequency power supply (external field applying means)
25₁, 25₂... Pumping light source (light irradiation means)
26₁, 26₂… Pumping light (input light)
26 Pumping light (transmitted light)
27 ... LWI laser beam
28 Photodiode

Claims (10)

３準位以上のエネルギー準位構造を有する量子構造を含む固体と、
前記量子構造の中から３つ準位を選び、上から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたときに、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する光照射手段と、
前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する外場を前記固体に印加する外場印加手段と
を具備してなり、
前記固体中の前記量子構造の総数をｎ個として個々の量子構造の第１の準位と第２の準位との共鳴角周波数、第１の準位と第３の準位との共鳴角周波数、第２の準位と第３の準位との共鳴角周波数をそれぞれω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） 、ω_２３（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）とし、
ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の平均値をそれぞれ＜ω_１２＞、＜ω_１３＞および＜ω_２３＞とし、
ｎ個全ての量子構造について前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の標準偏差をそれぞれσ_１２＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１２（ｉ） −＜ω_１２＞］ ^２ ｝^１／２ 、σ_１３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１３（ｉ） −＜ω_１３＞］^２ ｝^１／２ およびσ_２３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_２３（ｉ） −＜ω_２３＞］^２ ｝^１／２ とした場合に、
σ_２３≦σ_１２、かつσ_２３≦σ_１３を満足することを特徴とする機能素子。A solid including a quantum structure having three or more energy level structures;
When three levels are selected from among the quantum structures and the first level, the second level, and the third level are set in order from the top, the first level and the second level are obtained. Light irradiating means for irradiating the solid with first coherent light that excites between the first level and second coherent light that excites between the first level and the third level;
External field applying means for applying an external field that excites between the second level and the third level to the solid,
Assuming that the total number of the quantum structures in the solid is n, the resonance angular frequency of the first level and the second level of each quantum structure and the resonance angle of the first level and the third level of each quantum structure Ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i), ω ₂₃ (i) (i = 1 to n), and the resonance angular frequency of the second level and the third level are
The average values of ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i) and ω ₂₃ (i) for all n quantum structures are <ω ₁₂ >, <ω ₁₃ > and <ω ₂₃ >, respectively.
The standard deviations of ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i) and ω ₂₃ (i) for all n quantum structures are respectively expressed as σ ₁₂ = ｛(1 / n) Σ [ω ₁₂ (i) − <ω ₁₂ >] ² １ ／ ^1/2 , σ ₁₃ = ｛(1 / n) Σ [ω ₁₃ (i) − <ω ₁₃ >] ² ｝ ^1/2 and σ ₂₃ = ｛(1 / n) Σ [ω ₂₃ ( i) − <ω ₂₃ >] ² ｝ ^1/2 ,
A functional element that satisfies σ ₂₃ ≦ σ ₁₂ and σ ₂₃ ≦ σ ₁₃ . ３準位以上のエネルギー準位構造を有する量子構造を含む固体と、
前記量子構造の中から３つ準位を選び、上から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたときに、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する光照射手段と、
前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する外場を前記固体に印加する外場印加手段と
を具備してなり、
前記固体中の前記量子構造の総数をｎ個として個々の量子構造の第１の準位と第２の準位との共鳴角周波数、第１の準位と第３の準位との共鳴角周波数、第２の準位と第３の準位との共鳴角周波数をそれぞれω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） 、ω_２３（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）とし、
ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の平均値をそれぞれ＜ω_１２＞、＜ω_１３＞および＜ω_２３＞とし、
ｎ個全ての量子構造についての前記ω_１２（ｉ） 、ω_１３（ｉ） およびω_２３（ｉ） の標準偏差をそれぞれσ_１２＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１２（ｉ） −＜ω_１２＞］^２ ｝^１／２ 、σ_１３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_１３（ｉ） −＜ω_１３＞］^２ ｝^１／２ およびσ_２３＝｛ （１／ｎ）Σ［ω_２３（ｉ） −＜ω_２３＞］^２ ｝^１／２ とした場合に、
σ_１２≦σ_１３、かつσ_１２≦σ_２３を満足することを特徴とする機能素子。A solid including a quantum structure having three or more energy level structures;
When three levels are selected from the quantum structure, and the first level, the second level, and the third level are selected in order from the top, the second level and the third level are obtained. Light irradiating means for irradiating the solid with first coherent light that excites between the first level and second coherent light that excites between the first level and the third level;
External field applying means for applying an external field that excites between the first level and the second level to the solid,
Assuming that the total number of the quantum structures in the solid is n, the resonance angular frequency of the first level and the second level of each quantum structure and the resonance angle of the first level and the third level of each quantum structure Ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i), ω ₂₃ (i) (i = 1 to n), and the resonance angular frequency of the second level and the third level are
The average values of ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i) and ω ₂₃ (i) for all n quantum structures are <ω ₁₂ >, <ω ₁₃ > and <ω ₂₃ >, respectively.
The standard deviations of ω ₁₂ (i), ω ₁₃ (i) and ω ₂₃ (i) for all n quantum structures are respectively expressed as σ ₁₂ = ｛(1 / n) Σ [ω ₁₂ (i) − <ω ^{_{12>] 2} 1/2, σ}} 13 = {(1 / n) Σ [ω 13 (i) - <ω 13>] 2} 1/2 and _{σ 23 = {(1 / n} ) Σ [ω 23 (i) - in case of the ^{_{<ω 23>] 2} 1/2}} ,
A functional element satisfying σ ₁₂ ≦ σ ₁₃ and σ ₁₂ ≦ σ ₂₃ . 前記外場印加手段は、前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する際に、前記外場の位相を変えることができるものであり、
この外場の位相変化により、前記固体を透過した後の前記第１および第２のコヒーレントの透過光強度、ならびに前記第１の準位からの蛍光強度が変化することを特徴とする請求項１に記載の機能素子。The external field applying means may include a first coherent light that excites between the first level and the second level, and a first coherent light that excites between the first level and the third level. When irradiating the solid with the second coherent light to be excited, the phase of the external field can be changed,
2. The intensity of transmitted light of the first and second coherents after passing through the solid and the intensity of fluorescence from the first level change due to the phase change of the external field. The functional element according to claim 1. 前記外場印加手段は、前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体に照射する際に、前記外場の位相を変えることができるものであり、
この外場の位相変化により、前記固体を透過した後の前記第１および第２のコヒーレントの透過光強度、ならびに前記第１および第２の準位からの蛍光強度が変化することを特徴とする請求項２に記載の機能素子。The external field applying means may include a first coherent light that excites between the second level and the third level, and a first coherent light that excites between the first level and the third level. When irradiating the solid with the second coherent light to be excited, the phase of the external field can be changed,
The first and second coherent transmitted light intensities after passing through the solid and the fluorescence intensities from the first and second levels are changed by the phase change of the external field. The functional element according to claim 2. 前記固体に一対のミラーからなる共振器を設け、
前記第１の準位と前記第２の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体内に共存させた状態で、前記外場印加手段により前記外場を前記固体に印加することにより、前記第１および第２のコヒーレント光の少なくとも一方をレーザー発振させることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。Providing a resonator consisting of a pair of mirrors on the solid,
A first coherent light that excites between the first level and the second level, and a second coherent light that excites between the first level and the third level And coexisting in the solid, the external field is applied to the solid by the external field applying means, so that at least one of the first and second coherent lights is laser-oscillated. The functional element according to claim 1. 前記固体に一対のミラーからなる共振器を設け、
前記第２の準位と前記第３の準位との間を励起する第１のコヒーレント光、および前記第１の準位と前記第３の準位との間を励起する第２のコヒーレント光を前記固体内に共存させた状態で、前記外場印加手段により外場を前記固体に印加することにより、前記第１および第２のコヒーレント光の少なくとも一方をレーザー発振させることを特徴とする請求項２に記載の機能素子。Providing a resonator consisting of a pair of mirrors on the solid,
A first coherent light that excites between the second level and the third level, and a second coherent light that excites between the first level and the third level Wherein at least one of the first and second coherent lights is laser-oscillated by applying an external field to the solid by the external field applying means in a state in which the solid coexists in the solid. Item 3. The functional element according to Item 2. 前記固体中に含まれる量子構造は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜９）の電子を持つ遷移金属イオン、またはｆ電子軌道にｍ個（ｍ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、
前記遷移金属イオンの第２の準位と第３の準位は、スピン軌道相互作用、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであり、
前記希土類イオンの第２の準位と第３の準位は、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであることを特徴とする請求項１、請求項３および請求項５のいずれかに記載の機能素子。The quantum structure contained in the solid is a transition metal ion having n (n = 1 to 9) electrons in a d-electron orbit, or a rare earth having m (m = 1 to 13) electrons in an f-electron orbit. Is an ion,
The second level and the third level of the transition metal ion are selected from levels split by spin-orbit interaction, hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction,
The second level and the third level of the rare earth ion are selected from levels split by hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction. The functional element according to claim 3. 前記固体中に含まれる量子構造は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜９）の電子を持つ遷移金属イオン、またはｆ電子軌道にｍ個（ｍ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、
前記遷移金属イオンの第１の準位と第２の準位は、スピン軌道相互作用、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであり、
前記希土類イオンの第１の準位と第２の準位は、超微細相互作用または核４重極子相互作用により***した準位の中から選ばれたものであることを特徴とする請求項２、請求項４および請求項６のいずれかに記載の機能素子。The quantum structure contained in the solid is a transition metal ion having n (n = 1 to 9) electrons in a d-electron orbit, or a rare earth having m (m = 1 to 13) electrons in an f-electron orbit. Is an ion,
The first level and the second level of the transition metal ion are selected from levels split by spin-orbit interaction, hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction,
The first level and the second level of the rare earth ion are selected from levels split by hyperfine interaction or nuclear quadrupole interaction. The functional element according to claim 4. 前記外場は交流電場、交流磁場または電磁場であり、前記外場の角周波数をω_ｅｘｔ 、前記第１のコヒーレント光の角周波数をω_１ 、前記第２のコヒーレント光の角周波数をω_２ 、任意の自然数をＮとした場合に、ω_２ −ω_１ ＝Ｎ・ω_ｅｘｔ の関係式を満足することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の機能素子。The external field is an AC electric field, an AC magnetic field or an electromagnetic field, the angular frequency of the external field is ω _ext , the angular frequency of the first coherent light is ω ₁ , the angular frequency of the second coherent light is ω ₂ , The functional element according to claim 1, wherein a relational expression of ω ₂ −ω ₁ = N · ω _ext is satisfied, where N is an arbitrary natural number. 前記第１のコヒーレントと前記第２のコヒーレント光は１つの同じコヒーレントなパルス光であり、
このパルス光の中心周波数は、前記第１のコヒーレント光の角周波数よりも大きく、かつ前記第２のコヒーレント光の角周波数よりも小さく、
前記パルス光の持続時間は、前記第１のコヒーレント光の角周波数をω_１ 、前記第２のコヒーレント光の角周波数をω_２ とした場合に、２π／（ω_２ −ω_１ ）よりも短いことを特徴とする請求項１〜請求項４、請求項７〜請求項９のいずれかに記載の機能素子。The first coherent light and the second coherent light are one and the same coherent pulsed light;
The center frequency of the pulsed light is higher than the angular frequency of the first coherent light and lower than the angular frequency of the second coherent light,
The duration of the pulse light is shorter than 2π / (ω ₂ −ω ₁ ) when the angular frequency of the first coherent light is ω ₁ and the angular frequency of the second coherent light is ω _2. The functional element according to any one of claims 1 to 4, and 7 to 9.

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