ความก้าวหน้าล่าสุดในกลไกการสร้างเลเซอร์และการวิจัยเลเซอร์ใหม่

ความก้าวหน้าล่าสุดในกลไกการสร้างเลเซอร์และสิ่งใหม่ๆการวิจัยเลเซอร์
เมื่อเร็วๆ นี้ กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์จาง ฮวายจิน และศาสตราจารย์หยู ห่าวไห่ จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านวัสดุผลึก มหาวิทยาลัยซานตง และศาสตราจารย์เฉิน หยานเฟิง และศาสตราจารย์เหอ เฉิง จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านฟิสิกส์โครงสร้างจุลภาคของแข็ง มหาวิทยาลัยหนานจิง ได้ร่วมกันแก้ปัญหาและเสนอแนวคิดกลไกการสร้างเลเซอร์แบบการปั๊มร่วมกันของโฟตอนและโฟนอน โดยใช้ผลึกเลเซอร์ Nd:YVO4 แบบดั้งเดิมเป็นวัตถุวิจัยตัวอย่าง สามารถสร้างเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงแบบซูเปอร์ฟลูออเรสเซนซ์ได้โดยการทะลุผ่านขีดจำกัดระดับพลังงานอิเล็กตรอน และเปิดเผยความสัมพันธ์ทางกายภาพระหว่างเกณฑ์การสร้างเลเซอร์กับอุณหภูมิ (จำนวนโฟนอนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิด) โดยรูปแบบการแสดงออกนั้นเหมือนกับกฎของคูรี งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Communications (doi:10.1038/ S41467-023-433959-9) ภายใต้ชื่อ “เลเซอร์ที่ปั๊มร่วมกันของโฟตอนและโฟนอน” หยู ฟู่ และ เฟย เหลียง นักศึกษาปริญญาเอก รุ่นปี 2020 จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านวัสดุผลึก มหาวิทยาลัยซานตง เป็นผู้เขียนร่วมคนแรก เฉิง เหอ จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านฟิสิกส์โครงสร้างจุลภาคของแข็ง มหาวิทยาลัยหนานจิง เป็นผู้เขียนร่วมคนที่สอง และศาสตราจารย์หยู ห่าวไห่ และ หวยจิน จาง จากมหาวิทยาลัยซานตง และ หยานเฟิง เฉิน จากมหาวิทยาลัยหนานจิง เป็นผู้เขียนร่วมที่ประสานงาน
นับตั้งแต่ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีแบบกระตุ้นของแสงในศตวรรษที่แล้ว กลไกของเลเซอร์ก็ได้รับการพัฒนาอย่างสมบูรณ์ และในปี 1960 ไมแมนได้ประดิษฐ์เลเซอร์โซลิดสเตทแบบปั๊มด้วยแสงเป็นครั้งแรก ในระหว่างการสร้างเลเซอร์ การผ่อนคลายความร้อนเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญที่เกิดขึ้นพร้อมกับการสร้างเลเซอร์ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อประสิทธิภาพของเลเซอร์และกำลังเลเซอร์ที่ใช้งานได้ การผ่อนคลายความร้อนและผลกระทบจากความร้อนได้รับการพิจารณาว่าเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพที่เป็นอันตรายที่สำคัญในกระบวนการเลเซอร์เสมอมา ซึ่งต้องลดลงด้วยเทคโนโลยีการถ่ายเทความร้อนและการทำความเย็นต่างๆ ดังนั้น ประวัติการพัฒนาเลเซอร์จึงถือได้ว่าเป็นประวัติของการต่อสู้กับความร้อนเหลือทิ้ง

ภาพรวมเชิงทฤษฎีของเลเซอร์ปั๊มร่วมแบบโฟตอน-โฟนอน

ทีมวิจัยได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์และวัสดุเชิงแสงแบบไม่เชิงเส้นมาเป็นเวลานาน และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กระบวนการผ่อนคลายความร้อนได้รับการศึกษาอย่างลึกซึ้งจากมุมมองของฟิสิกส์ของแข็ง โดยอิงจากแนวคิดพื้นฐานที่ว่าความร้อน (อุณหภูมิ) นั้นฝังอยู่ในโฟนอนระดับจุลภาค จึงพิจารณาว่าการผ่อนคลายความร้อนนั้นเป็นกระบวนการควอนตัมของการเชื่อมโยงอิเล็กตรอน-โฟนอน ซึ่งสามารถทำให้เกิดการปรับแต่งระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในระดับควอนตัมผ่านการออกแบบเลเซอร์ที่เหมาะสม และได้รับช่องทางการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนใหม่เพื่อสร้างความยาวคลื่นใหม่เลเซอร์จากแนวคิดนี้ จึงได้เสนอหลักการใหม่ของการสร้างเลเซอร์โดยการปั๊มแบบร่วมมือระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน และได้ทำการหาอนุพันธ์ของกฎการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนภายใต้การจับคู่ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน โดยใช้ Nd:YVO4 ซึ่งเป็นผลึกเลเซอร์พื้นฐาน เป็นตัวอย่าง ในขณะเดียวกัน ก็ได้สร้างเลเซอร์แบบปั๊มแบบร่วมมือระหว่างโฟตอนและโฟตอนแบบไม่ใช้ความเย็น ซึ่งใช้เทคโนโลยีการปั๊มด้วยไดโอดเลเซอร์แบบดั้งเดิม และได้ออกแบบเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นหายาก 1168 นาโนเมตร และ 1176 นาโนเมตร บนพื้นฐานนี้ จากหลักการพื้นฐานของการสร้างเลเซอร์และการจับคู่ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน พบว่าผลคูณของเกณฑ์การสร้างเลเซอร์และอุณหภูมิเป็นค่าคงที่ ซึ่งเหมือนกับการแสดงออกของกฎของคูรีในแม่เหล็ก และยังแสดงให้เห็นถึงกฎทางฟิสิกส์พื้นฐานในกระบวนการเปลี่ยนสถานะแบบไม่เป็นระเบียบอีกด้วย

การทดลองเพื่อยืนยันการทำงานร่วมกันของโฟตอนและโฟนอนเลเซอร์ปั๊ม

งานวิจัยนี้เสนอมุมมองใหม่สำหรับการวิจัยล้ำสมัยเกี่ยวกับกลไกการสร้างเลเซอร์ฟิสิกส์เลเซอร์และเลเซอร์พลังงานสูง ชี้ให้เห็นมิติการออกแบบใหม่สำหรับเทคโนโลยีการขยายความยาวคลื่นเลเซอร์และการสำรวจผลึกเลเซอร์ และอาจนำมาซึ่งแนวคิดการวิจัยใหม่สำหรับการพัฒนาทัศนศาสตร์ควอนตัมรวมถึงการแพทย์ด้วยเลเซอร์ การแสดงผลด้วยเลเซอร์ และสาขาการใช้งานอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง