התקדמות אחרונה במנגנון יצירת לייזר ומחקר לייזר חדש

התקדמות אחרונה במנגנון יצירת לייזר וחידושיםמחקר לייזר
לאחרונה, קבוצת המחקר של פרופסור ג'אנג הואיג'ין ופרופסור יו האוהאי ממעבדת המפתחות הממלכתית לחומרי גביש באוניברסיטת שאנדונג ופרופסור צ'ן יאנפנג ופרופסור הה צ'נג ממעבדת המפתחות הממלכתית לפיזיקת מיקרו-מבנים מוצקים באוניברסיטת נאנג'ינג עבדו יחד כדי לפתור את הבעיה והציעו את מנגנון יצירת הלייזר של שאיבה שיתופית של פוטון-פונון, ולקחו את גביש הלייזר המסורתי Nd:YVO4 כאובייקט המחקר המייצג. תפוקת הלייזר בעלת היעילות הגבוהה של סופר-פלואורסצנציה מתקבלת על ידי פריצת גבול רמת האנרגיה של האלקטרונים, והקשר הפיזי בין סף יצירת הלייזר לטמפרטורה (מספר הפונונים קשור קשר הדוק) נחשף, וצורת הביטוי זהה לחוק קירי. המחקר פורסם ב-Nature Communications (doi:10.1038/ S41467-023-433959-9) תחת השם "לייזר שאוב בשיתוף פעולה של פוטון-פונון". יו פו ופיי ליאנג, דוקטורנטים של מחזור 2020, במעבדה המדינתית לחומרי קריסטל, אוניברסיטת שאנדונג, הם המחברים הראשונים במשותף, צ'נג ההה, ממעבדת המדינתית לחומרי קריסטל לפיזיקה של מיקרו-מבנים מוצקים, אוניברסיטת נאנג'ינג, הוא המחבר השני, והפרופסורים יו האוהאי והואיג'ין ג'אנג, מאוניברסיטת שאנדונג, ויאנפנג צ'ן, מאוניברסיטת נאנג'ינג, הם מחברים משותפים.
מאז שאיינשטיין הציע את תיאוריית הקרינה המגורה של אור במאה הקודמת, מנגנון הלייזר פותח במלואו, ובשנת 1960, מימן המציא את הלייזר הראשון במצב מוצק המושאב באופן אופטי. במהלך יצירת לייזר, הרלקסציה תרמית היא תופעה פיזיקלית חשובה המלווה את יצירת הלייזר, המשפיעה קשות על ביצועי הלייזר ועל עוצמת הלייזר הזמינה. הרלקסציה תרמית ואפקט תרמי תמיד נחשבו לפרמטרים פיזיקליים מזיקים מרכזיים בתהליך הלייזר, אותם יש להפחית באמצעות טכנולוגיות שונות של העברת חום וקירור. לכן, ההיסטוריה של פיתוח הלייזר נחשבת להיסטוריה של המאבק בחום פסולת.

סקירה תיאורטית של לייזר שאיבה שיתופי פוטון-פונון

צוות המחקר עוסק זה מכבר במחקר לייזר וחומרים אופטיים לא ליניאריים, ובשנים האחרונות, תהליך הרלקסציה התרמית הובן לעומק מנקודת מבט של פיזיקת המצב המוצק. בהתבסס על הרעיון הבסיסי שחום (טמפרטורה) מגולם בפונונים המיקרוקוסמיים, מקובל לחשוב שרלקסציה תרמית עצמה היא תהליך קוונטי של צימוד אלקטרון-פונון, שיכול לממש התאמה קוונטית של רמות אנרגיית האלקטרונים באמצעות תכנון לייזר מתאים, ולהשיג ערוצי מעבר אלקטרונים חדשים ליצירת אורך גל חדש.לייזרבהתבסס על חשיבה זו, מוצע עיקרון חדש של יצירת לייזר שאיבה שיתופית אלקטרונים-פונון, וכלל מעבר האלקטרונים תחת צימוד אלקטרונים-פונון נגזר על ידי לקיחת Nd:YVO4, גביש לייזר בסיסי, כאובייקט מייצג. במקביל, נבנה לייזר שאיבה שיתופי פוטון-פונון לא מקורר, המשתמש בטכנולוגיית שאיבת דיודת לייזר מסורתית. תוכנן לייזר עם אורך גל נדיר של 1168 ננומטר ו-1176 ננומטר. על בסיס זה, בהתבסס על העיקרון הבסיסי של יצירת לייזר וצימוד אלקטרונים-פונון, נמצא כי המכפלה של סף יצירת הלייזר והטמפרטורה היא קבועה, וזהה לביטוי חוק קירי במגנטיות, וגם מדגים את החוק הפיזיקלי הבסיסי בתהליך מעבר פאזה לא מסודר.

מימוש ניסיוני של שיתוף פעולה פוטון-פונוןלייזר שאיבה

עבודה זו מספקת פרספקטיבה חדשה למחקר חדשני על מנגנון יצירת לייזר,פיזיקת לייזר, ולייזר בעל אנרגיה גבוהה, מצביע על מימד עיצובי חדש לטכנולוגיית הרחבת אורך גל לייזר וחקר גבישי לייזר, ועשוי להביא רעיונות מחקר חדשים לפיתוחאופטיקה קוונטית, רפואת לייזר, צגי לייזר ותחומי יישומים קשורים אחרים.