ความก้าวหน้าล่าสุดในกลไกการสร้างเลเซอร์และการวิจัยเลเซอร์แบบใหม่

ความก้าวหน้าล่าสุดในกลไกการสร้างเลเซอร์และใหม่การวิจัยเลเซอร์
เมื่อไม่นานมานี้ กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์จาง หวยจิน และศาสตราจารย์หยู เหาไห่ จากห้องปฏิบัติการหลักของรัฐด้านวัสดุผลึก มหาวิทยาลัยซานตง และศาสตราจารย์เฉิน เหยียนเฟิง และศาสตราจารย์เหอ เฉิง จากห้องปฏิบัติการหลักของรัฐด้านฟิสิกส์จุลภาคของแข็ง มหาวิทยาลัยนานกิง ได้ร่วมกันแก้ปัญหานี้ และได้เสนอกลไกการสร้างเลเซอร์แบบปั๊มร่วมแบบฟูน-โฟนอน โดยใช้ผลึกเลเซอร์ Nd:YVO4 แบบดั้งเดิมเป็นวัตถุวิจัย ประสิทธิภาพของเลเซอร์ซูเปอร์ฟลูออเรสเซนซ์ที่ได้จากการทะลุขีดจำกัดระดับพลังงานอิเล็กตรอน เผยให้เห็นความสัมพันธ์ทางกายภาพระหว่างเกณฑ์การสร้างเลเซอร์และอุณหภูมิ (ซึ่งเลขโฟนอนมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด) และรูปแบบการแสดงออกก็เหมือนกับกฎของคูรี งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications (doi:10.1038/ S41467-023-433959-9) ภายใต้ชื่อ “เลเซอร์โฟตอน-โฟนอนแบบปั๊มร่วม” Yu Fu และ Fei Liang นักศึกษาปริญญาเอกชั้นปี 2020 จาก State Key Laboratory of Crystal Materials มหาวิทยาลัย Shandong เป็นผู้เขียนร่วมคนแรก Cheng He จาก State Key Laboratory of Solid Microstructure Physics มหาวิทยาลัย Nanjing เป็นผู้เขียนคนที่สอง และศาสตราจารย์ Yu Haohai และ Huaijin Zhang จากมหาวิทยาลัย Shandong และ Yanfeng Chen จากมหาวิทยาลัย Nanjing เป็นผู้เขียนร่วมที่ติดต่อกัน
นับตั้งแต่ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีแสงแบบกระตุ้นในศตวรรษที่ผ่านมา กลไกของเลเซอร์ก็ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ และในปี พ.ศ. 2503 ไมมันได้ประดิษฐ์เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มแสงตัวแรกขึ้น ในระหว่างการสร้างเลเซอร์ การผ่อนคลายความร้อนเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญควบคู่ไปกับการสร้างเลเซอร์ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพและกำลังเลเซอร์ที่มีอยู่ การผ่อนคลายความร้อนและผลกระทบทางความร้อนถือเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพที่สำคัญในกระบวนการเลเซอร์ ซึ่งจำเป็นต้องลดทอนลงด้วยเทคโนโลยีการถ่ายเทความร้อนและการทำความเย็นที่หลากหลาย ดังนั้น ประวัติศาสตร์ของการพัฒนาเลเซอร์จึงถือเป็นประวัติศาสตร์ของการต่อสู้กับความร้อนเหลือทิ้ง

ภาพรวมทางทฤษฎีของเลเซอร์สูบน้ำแบบร่วมมือโฟตอน-โฟนอน

ทีมวิจัยได้ศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์และวัสดุออปติกแบบไม่เชิงเส้นมาอย่างยาวนาน และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กระบวนการผ่อนคลายความร้อนได้รับการยอมรับอย่างลึกซึ้งจากมุมมองของฟิสิกส์สถานะของแข็ง จากแนวคิดพื้นฐานที่ว่าความร้อน (อุณหภูมิ) รวมอยู่ในโฟนอนระดับจุลภาค จึงถือได้ว่าการผ่อนคลายความร้อนนั้นเป็นกระบวนการควอนตัมของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟนอน ซึ่งสามารถปรับระดับพลังงานของอิเล็กตรอนตามหลักควอนตัมผ่านการออกแบบเลเซอร์ที่เหมาะสม และได้ช่องทางการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนใหม่เพื่อสร้างความยาวคลื่นใหม่เลเซอร์จากแนวคิดนี้ จึงได้เสนอหลักการใหม่ของการสร้างเลเซอร์แบบสูบร่วมอิเล็กตรอน-โฟนอน และกฎการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนภายใต้การควบคู่อิเล็กตรอน-โฟนอนได้มาจากการใช้ Nd:YVO4 ซึ่งเป็นผลึกเลเซอร์พื้นฐาน เป็นวัตถุตัวแทน ในขณะเดียวกัน เลเซอร์แบบสูบร่วมโฟตอน-โฟนอนที่ไม่มีการระบายความร้อนก็ถูกสร้างขึ้น ซึ่งใช้เทคโนโลยีการสูบไดโอดเลเซอร์แบบดั้งเดิม เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 1168 นาโนเมตร และ 1176 นาโนเมตร ได้รับการออกแบบขึ้น จากหลักการพื้นฐานของการสร้างเลเซอร์และการควบคู่อิเล็กตรอน-โฟนอน พบว่าผลคูณระหว่างเกณฑ์การสร้างเลเซอร์และอุณหภูมิมีค่าคงที่ ซึ่งสอดคล้องกับกฎของคูรีในสนามแม่เหล็ก และยังแสดงให้เห็นถึงกฎฟิสิกส์พื้นฐานในกระบวนการเปลี่ยนสถานะแบบไม่เป็นระเบียบอีกด้วย

การทดลองการตระหนักรู้ถึงความร่วมมือระหว่างโฟตอนและโฟนอนเลเซอร์ปั๊ม

งานนี้ให้มุมมองใหม่สำหรับการวิจัยล้ำสมัยเกี่ยวกับกลไกการสร้างเลเซอร์ฟิสิกส์เลเซอร์และเลเซอร์พลังงานสูง ชี้ให้เห็นมิติการออกแบบใหม่สำหรับเทคโนโลยีการขยายความยาวคลื่นเลเซอร์และการสำรวจคริสตัลเลเซอร์ และอาจนำแนวคิดการวิจัยใหม่ๆ มาสู่การพัฒนาเลนส์ควอนตัม, ยาเลเซอร์, จอเลเซอร์ และสาขาการประยุกต์ใช้อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง