Jüngste Fortschritte bei den Mechanismen der Lasererzeugung und neuenLaserforschung
Kürzlich arbeiteten die Forschungsgruppen von Professor Zhang Huaijin und Professor Yu Haohai vom Staatlichen Schlüssellabor für Kristallmaterialien der Shandong-Universität sowie von Professor Chen Yanfeng und Professor He Cheng vom Staatlichen Schlüssellabor für Festkörpermikrostrukturphysik der Nanjing-Universität zusammen, um das Problem der Lasererzeugung durch kollaboratives Phononenpumpen zu lösen und den Mechanismus dieser Lasererzeugung zu erklären. Als repräsentatives Forschungsobjekt diente ihnen der traditionelle Nd:YVO₄-Laserkristall. Durch Überwindung der Elektronenenergiegrenze wurde eine hohe Laserausbeute durch Superfluoreszenz erzielt. Dabei wurde der physikalische Zusammenhang zwischen Laserschwelle und Temperatur (die Phononenzahl ist eng damit verknüpft) aufgezeigt, dessen Ausdrucksform dem Curie-Gesetz entspricht. Die Studie wurde in Nature Communications (doi:10.1038/S41467-023-433959-9) unter dem Titel „Photon-phonon collaboratively pumped laser“ veröffentlicht. Yu Fu und Fei Liang, Doktorand des Jahrgangs 2020 am State Key Laboratory of Crystal Materials der Shandong University, sind Erstautoren, Cheng He vom State Key Laboratory of Solid Microstructure Physics der Nanjing University ist Zweitautor, und die Professoren Yu Haohai und Huaijin Zhang von der Shandong University sowie Yanfeng Chen von der Nanjing University sind korrespondierende Autoren.
Seit Einstein im letzten Jahrhundert die Theorie der stimulierten Strahlung des Lichts vorschlug, wurde der Lasermechanismus umfassend entwickelt. 1960 erfand Maiman den ersten optisch gepumpten Festkörperlaser. Bei der Lasererzeugung ist die thermische Relaxation ein wichtiges physikalisches Phänomen, das die Laserleistung und die verfügbare Laserleistung erheblich beeinträchtigt. Thermische Relaxation und thermische Effekte gelten seit jeher als die wichtigsten schädlichen physikalischen Parameter im Laserprozess und müssen durch verschiedene Wärmeübertragungs- und Kühltechnologien reduziert werden. Daher wird die Geschichte der Laserentwicklung auch als Geschichte des Kampfes gegen die Abwärme betrachtet.
Theoretischer Überblick über den kooperativen Photon-Phonon-Pumplaser
Das Forschungsteam beschäftigt sich seit Langem mit der Erforschung von Lasern und nichtlinearen optischen Materialien. In den letzten Jahren wurde der thermische Relaxationsprozess aus der Perspektive der Festkörperphysik eingehend untersucht. Ausgehend von der grundlegenden Annahme, dass Wärme (Temperatur) in mikroskopischen Phononen verkörpert ist, wird die thermische Relaxation selbst als Quantenprozess der Elektron-Phonon-Kopplung betrachtet. Dieser ermöglicht durch geeignetes Laserdesign die gezielte Anpassung der Elektronenenergieniveaus und die Gewinnung neuer Elektronentransitionskanäle zur Erzeugung neuer Wellenlängen.LaserAufbauend auf diesen Überlegungen wird ein neues Prinzip der kooperativen Elektron-Phonon-Pumplasererzeugung vorgeschlagen und die Elektronenübergangsregel unter Elektron-Phonon-Kopplung am Beispiel des Laserkristalls Nd:YVO₄ hergeleitet. Gleichzeitig wird ein ungekühlter, kooperativer Photon-Phonon-Pumplaser mit herkömmlicher Laserdioden-Pumptechnologie konstruiert. Es werden Laser mit den seltenen Wellenlängen 1168 nm und 1176 nm entwickelt. Auf dieser Grundlage und basierend auf dem Grundprinzip der Lasererzeugung und der Elektron-Phonon-Kopplung zeigt sich, dass das Produkt aus Laserschwelle und Temperatur konstant ist. Dies entspricht dem Ausdruck des Curie-Gesetzes im Magnetismus und verdeutlicht ein grundlegendes physikalisches Gesetz im ungeordneten Phasenübergangsprozess.
Experimentelle Realisierung der Photon-Phonon-KooperationPumplaser
Diese Arbeit bietet eine neue Perspektive für die Spitzenforschung zum Lasererzeugungsmechanismus.Laserphysikund Hochenergielaser weisen auf eine neue Designdimension für die Laserwellenlängenerweiterungstechnologie und die Erforschung von Laserkristallen hin und könnten neue Forschungsideen für die Entwicklung vonQuantenoptik, Lasermedizin, Laserdisplays und andere verwandte Anwendungsgebiete.
Veröffentlichungsdatum: 15. Januar 2024