レーザー発生機構の最近の進歩と新しいレーザー研究

レーザー生成機構の最近の進歩と新しいレーザー研究
最近、山東大学結晶材料国家重点実験室の張懐金教授、于浩海教授と南京大学固体微細構造物理国家重点実験室の陳延鋒教授、何成教授らの研究グループは協力してこの問題を解決し、光子‐フォノン協調ポンピングによるレーザー発生メカニズムを提案し、伝統的なNd:YVO4レーザー結晶を代表的な研究対象とした。電子エネルギー準位限界を突破することで超蛍光の高効率レーザー出力が得られ、レーザー発生閾値と温度（フォノン数が密接に関係）の物理的関係が明らかになり、その表現式はキュリーの法則と一致した。この研究は「光子‐フォノン協調ポンピングレーザー」というタイトルでNature Communications（doi:10.1038/ S41467-023-433959-9）に掲載された。山東大学結晶材料国家重点実験室2020年博士課程学生のYu Fu氏とFei Liang氏が共同筆頭著者、南京大学固体微細構造物理国家重点実験室のCheng He氏が第二著者、山東大学のYu Haohai教授とHuaijin Zhang教授、南京大学のYanfeng Chen氏が共同責任著者である。
アインシュタインが前世紀に光の誘導放射理論を提唱して以来、レーザーのメカニズムは完全に発展し、1960年にはマイマンが世界初の光励起固体レーザーを発明しました。レーザー生成において、熱緩和はレーザー生成に伴う重要な物理現象であり、レーザーの性能と利用可能なレーザー出力に重大な影響を与えます。熱緩和と熱影響は、レーザープロセスにおける主要な有害物理パラメータと常に考えられており、様々な熱伝達技術や冷却技術によって低減させる必要があります。そのため、レーザー開発の歴史は、廃熱との闘いの歴史と言えるでしょう。

光子・フォノン協調ポンピングレーザーの理論的概要

研究チームは長年レーザーや非線形光学材料の研究に携わっており、近年では固体物理学の観点から熱緩和過程が深く理解されてきました。熱（温度）がミクロコズムのフォノンに体現されているという基本的な考え方に基づき、熱緩和自体は電子-フォノン結合の量子過程であると考えられており、適切なレーザー設計を通じて電子エネルギーレベルの量子調整を実現し、新たな電子遷移チャネルを獲得して新たな波長を生成することができます。レーザこの考えに基づいて、電子-フォノン協力ポンピングレーザー生成の新しい原理を提案し、基本的なレーザー結晶であるNd:YVO4を代表例として、電子-フォノン結合における電子遷移則を導出した。同時に、従来のレーザーダイオードポンピング技術を用いた非冷却光子-フォノン協力ポンピングレーザーを構築した。希少波長1168nmと1176nmのレーザーを設計した。これに基づいて、レーザー生成と電子-フォノン結合の基本原理に基づき、レーザー生成閾値と温度の積が定数であることがわかり、これは磁性におけるキュリーの法則の表現と同じであり、無秩序相転移過程における基本的な物理法則も実証している。

光子・フォノン協調の実験的実現ポンピングレーザー

この研究は、レーザー生成メカニズムに関する最先端の研究に新たな視点を提供するものである。レーザー物理学高エネルギーレーザーは、レーザー波長拡大技術とレーザー結晶探査の新たな設計次元を示唆し、量子光学、レーザー医療、レーザーディスプレイ、その他の関連応用分野。