Lasing without population inversion: towards X-ray continuous wave laser emission

This paper is devoted to lasing without population inversion in three and multi-level atomic configurations in interaction with a driving laser. First we discuss the interest and the current state-of-the-art of this phenomenon. Then, the basic physics of lasing without inversion is described in more detail and analyzed in terms of quantum interference between the dressed-states built up by the driving field. In addition, the quantum-jump formalism is used to introduce generalized Einstein B coefficients accounting for stimulated emission and absorption processes in these schemes. As a result, lasing without inversion is explained in terms of non-reciprocity between stimulated emission and absorption coefficients. Likewise, this formalism allows us to analyze lasing without inversion in terms of the quantum Zeno effect. Some particular problems of lasers without inversion are also investigated, such as, laser emission with a driving field of frequency smaller than the one we want to generate without population inversion; lasing without inversion in the absence of an external driving field; and electromagnetically induced transparency as a first step to amplification without inversion. Finally, some dynamical features of these lasers are explored such as the inversionless laser emission in a selfpulsing regime or the generation of giant pulses of laser light. Resum Aquest article de revisió se centra en el fenomen de l’emissió làser sense inversió de població en configuracions atòmiques de tres o més nivells en interacció amb un làser de preparació. En primer lloc, es descriu breument l’interès i l’estat actual de la recerca al voltant d’aquest fenomen. A continuació, es descriu amb detall el fonament físic de l’emissió làser sense inversió i així s’analitza aquest fenomen en termes d’interferència quàntica entre els estats atòmics vestits pel làser de preparació. Paral·lelament, s’utilitza el formalisme dels salts quàntics per introduir coeficients B d’Einstein generalitzats per a l’emissió estimulada i l’absorció en aquests esquemes i com a consequència, l’emissió làser sense inversió de població s’explica en termes d’una no-reciprocitat en els coeficients per a l’emissió estimulada i l’absorció. Així mateix, aquest formalisme permet analitzar l’emissió làser sense inversió en termes de l’efecte Zenó quàntic. A més a més, s’investiguen alguns problemes concrets dels làsers sense inversió de població com, per exemple i l’emissió làser sense inversió amb un camp làser de preparació de freqüència menor que la del generat sense inversió, l’emissió làser sense inversió en absència d’un camp de preparació extern i la transparència induïda electromagnèticament com a pas previ per a l’amplificació sense inversió. Finalment, s’exploren alguns aspectes particulars de la dinàmica d’aquests làsers com són l’emissió làser sense inversió en règim autopolsant o la generació de polsos gegants de llum làser.