التطورات الحديثة في آلية توليد الليزر والتقنيات الجديدةأبحاث الليزر
في الآونة الأخيرة، عمل فريق بحثي من البروفيسور تشانغ هوايجين والبروفيسور يو هاوهاي من مختبر الدولة الرئيسي للمواد البلورية بجامعة شاندونغ، والبروفيسور تشن يانفينج والبروفيسور هي تشنغ من مختبر الدولة الرئيسي لفيزياء البنية الدقيقة الصلبة بجامعة نانجينغ، معًا لحل المشكلة، واقترحوا آلية توليد الليزر من خلال الضخ التعاوني للفونون-فونون، واتخذوا بلورة الليزر التقليدية Nd:YVO4 كهدف بحثي تمثيلي. يتم الحصول على خرج الليزر عالي الكفاءة من التألق الفائق عن طريق اختراق حد مستوى طاقة الإلكترون، ويتم الكشف عن العلاقة الفيزيائية بين عتبة توليد الليزر ودرجة الحرارة (حيث يرتبط عدد الفونون ارتباطًا وثيقًا)، وشكل التعبير هو نفسه قانون كوري. نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications (doi:10.1038/ S41467-023-433959-9) تحت عنوان "ليزر مضخوخ تعاونيًا للفوتون-فونون". يو فو وفي ليانغ، طالب دكتوراه في الدفعة 2020، مختبر الدولة الرئيسي للمواد البلورية، جامعة شاندونغ، هما المؤلفان الأولان المشاركان، تشنغ هي، مختبر الدولة الرئيسي لفيزياء البنية الصلبة، جامعة نانجينغ، هو المؤلف الثاني، والأساتذة يو هاوهاي وهوايجين تشانغ، جامعة شاندونغ، ويانفينج تشين، جامعة نانجينغ، هم المؤلفون المراسلون المشاركون.
منذ أن اقترح أينشتاين نظرية الإشعاع المُحفَّز للضوء في القرن الماضي، تطورت آلية الليزر تطورًا كاملًا، وفي عام ١٩٦٠، اخترع مايمان أول ليزر حالة صلبة مُضخَّم بصريًا. أثناء توليد الليزر، يُعدّ الاسترخاء الحراري ظاهرة فيزيائية مهمة تُصاحبه، مما يؤثر بشكل كبير على أدائه وطاقته المتاحة. لطالما اعتُبر الاسترخاء الحراري والتأثير الحراري من أهم العوامل الفيزيائية الضارة في عملية الليزر، والتي يجب الحد منها من خلال تقنيات نقل الحرارة والتبريد المختلفة. لذلك، يُعتبر تاريخ تطوير الليزر تاريخًا للصراع مع الحرارة المُهدرة.
نظرة عامة نظرية على ليزر الضخ التعاوني للفوتون والفونون
لطالما انخرط فريق البحث في أبحاث الليزر والمواد البصرية غير الخطية، وفي السنوات الأخيرة، تم فهم عملية الاسترخاء الحراري بعمق من منظور فيزياء الحالة الصلبة. بناءً على الفكرة الأساسية المتمثلة في تجسيد الحرارة (درجة الحرارة) في الفونونات المجهرية، يُعتبر الاسترخاء الحراري بحد ذاته عملية كمية لارتباط الإلكترون بالفونون، والتي يمكن أن تحقق ضبطًا كميًا لمستويات طاقة الإلكترون من خلال تصميم ليزر مناسب، والحصول على قنوات انتقال إلكترونية جديدة لتوليد أطوال موجية جديدة.الليزربناءً على هذا التفكير، يُقترح مبدأ جديد لتوليد ليزر الضخ التعاوني للإلكترونات والفونونات، وتُشتق قاعدة انتقال الإلكترونات في ظل اقتران الإلكترونات والفونونات من خلال استخدام بلورة ليزر أساسية Nd:YVO4 كجسم تمثيلي. في الوقت نفسه، يُصنع ليزر ضخ تعاوني للفوتونات والفونونات غير مبرد، يستخدم تقنية ضخ الصمام الثنائي الليزري التقليدية. صُمم ليزر بطول موجي نادر يبلغ 1168 نانومتر و1176 نانومتر. بناءً على هذا الأساس، واستنادًا إلى المبدأ الأساسي لتوليد الليزر واقتران الإلكترونات والفونونات، وُجد أن حاصل ضرب عتبة توليد الليزر في درجة الحرارة ثابت، وهو ما يُطابق تعبير قانون كوري في المغناطيسية، ويُظهر أيضًا القانون الفيزيائي الأساسي في عملية انتقال الطور غير المنظم.
التنفيذ التجريبي للتعاون بين الفوتون والفونونضخ الليزر
يقدم هذا العمل منظورًا جديدًا للأبحاث المتطورة حول آلية توليد الليزر،فيزياء الليزر، والليزر عالي الطاقة، يشير إلى بُعد تصميمي جديد لتكنولوجيا توسيع الطول الموجي لليزر واستكشاف بلورات الليزر، وقد يجلب أفكارًا بحثية جديدة لتطويرالبصريات الكمومية، طب الليزر، وشاشات الليزر وغيرها من مجالات التطبيق ذات الصلة.
وقت النشر: ١٥ يناير ٢٠٢٤