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图 突破荧光光谱的可调谐激光及其产生的物理机制
在国家自然科学基金项目(批准号:52025021、92163207、51890863)等资助下,山东大学于浩海、张怀金教授团队与南京大学陈延峰教授团队合作在激光晶体和激光机理领域取得突破,提出了激光产生新机理,获得了突破荧光光谱范围的激光辐射,并阐明了该过程的物理机制和激光材料的关键功能基元与序构关系。研究成果以“多声子辅助突破荧光光谱的激光辐射(Multiphonon-assisted lasing beyond the fluorescence spectrum)”为题,于2022年9月22日在线发表在《自然·物理》(Nature Physics)杂志上。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01748-z。同期,意大利比萨大学Alessandra Toncelli教授以“Light in the darkness”为题发表了评论文章。
激光是具有高亮度、高强度、高相干性的人造光,其发明和发展深刻改变了人们的生产生活方式,为认识自然和改造自然提供了重要工具。激光的物理过程是受激辐射的光放大。长期以来,荧光光谱范围被认为是评估激光材料的重要参数,决定了可获得的激光波长范围和最终的激光效果。不同波长激光有不同的应用需求,目前,荧光光谱以外的激光波长仅能以非线性频率变换技术来实现,这无疑限制了激光效率和整机简易度,长期以来,发现新的激光产生机理并发展新波段激光技术一直以来是本领域的研究热点和前沿。
山东大学/南京大学联合研究团队提出了激光产生的新研究思路,将多声子耦合效应引入到电子受激辐射过程中,从而突破荧光光谱的限制,获得新波长激光。在上述研究思路的指引下,发展了激光过程中电子-多声子耦合的物理模型,找到了激光晶体中电子-多声子耦合的关键功能基元及其序构方式,选择具有强电声耦合作用的Yb:YCOB激光晶体(黄昆因子S=1.34)作为研究对象,最终实现了声子数n= 3 ~ 8的多声子耦合过程,获得了荧光光谱之外的可调谐激光输出,突破荧光光谱超过400 nm(图)。此外,研究团队证明电子-多声子耦合是普遍的物理效应,目前已经在Yb:La2CaB10O19(Yb:LCB)晶体中实现了类似的激光过程。
本工作提出的电子-多声子耦合激光产生机理,为激光波长拓展提供了新的技术手段,在新激光材料探索、高功率激光、集成非线性光学、量子纠缠光源等方面有重要的应用前景。