レーザー発生メカニズムの最近の進歩と新しいレーザー研究

レーザー発生メカニズムと新しい技術の最近の進歩レーザー研究
最近、山東大学結晶材料国家重点実験室の張懐金教授と于浩海教授の研究グループ、および南京大学固体微細構造物理国家重点実験室の陳延峰教授と何成教授の研究グループが協力して問題を解決し、光子-フォノン協調励起によるレーザー発生メカニズムを提案し、従来のNd:YVO4レーザー結晶を代表的な研究対象として、電子エネルギー準位の限界を突破することで超蛍光の高効率レーザー出力を得るとともに、レーザー発生閾値と温度（フォノン数と密接に関連）の物理的関係を明らかにし、その表現形式がキュリーの法則と同じであることを明らかにした。この研究は「光子-フォノン協調励起レーザー」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の2020年度博士課程学生であるYu Fu氏とFei Liang氏が共同筆頭著者であり、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、および南京大学の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ポンピング固体レーザーを発明しました。レーザー発生において、熱緩和はレーザー発生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深刻な影響を与えます。熱緩和と熱効果は、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して常に考えられており、さまざまな熱伝達および冷却技術によって低減する必要があります。したがって、レーザー開発の歴史は、廃熱との闘いの歴史であると言えます。

光子・フォノン協働ポンピングレーザーの理論的概観

研究チームは長年レーザーおよび非線形光学材料の研究に取り組んでおり、近年では固体物理学の観点から熱緩和過程を深く理解するに至った。熱（温度）は微視的なフォノンに内在するという基本概念に基づき、熱緩和そのものが電子-フォノン結合の量子過程であると考えられ、適切なレーザー設計によって電子エネルギー準位の量子的な調整が可能となり、新たな波長を生成するための新たな電子遷移チャネルが得られる。レーザこの考えに基づき、電子フォノン協調励起レーザー発生の新しい原理を提案し、基本レーザー結晶であるNd:YVO4を代表対象として、電子フォノン結合下での電子遷移規則を導出した。同時に、従来のレーザーダイオード励起技術を用いた非冷却光子フォノン協調励起レーザーを構築し、1168nmと1176nmの希少波長のレーザーを設計した。この基礎に基づき、レーザー発生と電子フォノン結合の基本原理から、レーザー発生閾値と温度の積が定数であり、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ことがわかった。

光子-フォノン協働の実験的実現励起レーザー

この研究は、レーザー発生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。レーザー物理学、高エネルギーレーザーは、レーザー波長拡張技術とレーザー結晶探査の新たな設計次元を示し、開発のための新たな研究アイデアをもたらす可能性がある。量子光学レーザー医療、レーザーディスプレイ、その他関連する応用分野。