التطورات الحديثة في آلية توليد الليزر وأبحاث الليزر الجديدة

التطورات الحديثة في آلية توليد الليزر وتقنيات جديدةأبحاث الليزر
في الآونة الأخيرة، تعاون فريق بحثي بقيادة البروفيسور تشانغ هوايجين والبروفيسور يو هاوهاي من مختبر الدولة الرئيسي لمواد البلورات بجامعة شاندونغ، والبروفيسور تشن يانفنغ والبروفيسور هي تشنغ من مختبر الدولة الرئيسي لفيزياء البنية المجهرية للمواد الصلبة بجامعة نانجينغ، لحل مشكلة توليد الليزر عن طريق الضخ التعاوني للفونونات، واقترحوا آلية توليد الليزر هذه. واتخذوا بلورة ليزر Nd:YVO4 التقليدية نموذجًا بحثيًا. وقد تم الحصول على خرج ليزر عالي الكفاءة ذي تألق فائق من خلال تجاوز حد مستوى طاقة الإلكترون، وكُشفت العلاقة الفيزيائية بين عتبة توليد الليزر ودرجة الحرارة (حيث يرتبط عدد الفونونات ارتباطًا وثيقًا)، وكان شكل التعبير مطابقًا لقانون كوري. نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications (doi:10.1038/S41467-023-433959-9) تحت عنوان "ليزر الضخ التعاوني للفوتونات والفونونات". يو فو وفاي ليانغ، طالب دكتوراه من دفعة 2020، من مختبر الدولة الرئيسي لمواد البلورات، جامعة شاندونغ، هما المؤلفان الأولان المشاركان، وتشنغ هي، من مختبر الدولة الرئيسي لفيزياء البنية المجهرية الصلبة، جامعة نانجينغ، هو المؤلف الثاني، والأساتذة يو هاوهاي وهوايجين تشانغ، من جامعة شاندونغ، ويانفينغ تشن، من جامعة نانجينغ، هم المؤلفون المراسلون المشاركون.
منذ أن طرح أينشتاين نظرية الإشعاع المحفز للضوء في القرن الماضي، تطورت آلية الليزر بشكل كامل، وفي عام 1960، اخترع مايمان أول ليزر ذي حالة صلبة يُضخ ضوئيًا. أثناء توليد الليزر، يُعد الاسترخاء الحراري ظاهرة فيزيائية مهمة مصاحبة له، تؤثر بشكل كبير على أداء الليزر وقدرته المتاحة. لطالما اعتُبر الاسترخاء الحراري والتأثير الحراري من أهم العوامل الفيزيائية الضارة في عملية الليزر، والتي يجب الحد منها باستخدام تقنيات نقل الحرارة والتبريد المختلفة. لذلك، يُعتبر تاريخ تطور الليزر تاريخًا للصراع مع الحرارة المهدرة.

نظرة عامة نظرية على ليزر الضخ التعاوني بين الفوتون والفونون

انخرط فريق البحث منذ فترة طويلة في أبحاث الليزر والمواد البصرية غير الخطية، وفي السنوات الأخيرة، تم فهم عملية الاسترخاء الحراري بعمق من منظور فيزياء الحالة الصلبة. وانطلاقًا من الفكرة الأساسية القائلة بأن الحرارة (درجة الحرارة) متجسدة في الفونونات المجهرية، يُعتقد أن الاسترخاء الحراري نفسه عملية كمومية لتفاعل الإلكترون-فونون، مما يُتيح إمكانية التحكم الكمومي في مستويات طاقة الإلكترون من خلال تصميم ليزر مناسب، والحصول على قنوات انتقال إلكترونية جديدة لتوليد أطوال موجية جديدة.ليزرانطلاقًا من هذا المبدأ، تم اقتراح مبدأ جديد لتوليد الليزر بالضخ التعاوني للإلكترون-فونون، واستُنتجت قاعدة انتقال الإلكترون في ظل اقتران الإلكترون-فونون باستخدام بلورة Nd:YVO4، وهي بلورة ليزر أساسية، كمثال نموذجي. في الوقت نفسه، تم بناء ليزر ضخ تعاوني غير مبرد للفوتون-فونون، يستخدم تقنية ضخ ثنائي الليزر التقليدية. صُمم ليزر بأطوال موجية نادرة تبلغ 1168 نانومتر و1176 نانومتر. بناءً على ذلك، واستنادًا إلى المبدأ الأساسي لتوليد الليزر واقتران الإلكترون-فونون، وُجد أن حاصل ضرب عتبة توليد الليزر ودرجة الحرارة ثابت، وهو ما يُطابق قانون كوري في المغناطيسية، ويُبرهن أيضًا على القانون الفيزيائي الأساسي في عملية انتقال الطور غير المنتظم.

تحقيق تجريبي للتعاون بين الفوتون والفونونليزر الضخ

يقدم هذا العمل منظوراً جديداً للبحوث المتطورة حول آلية توليد الليزر،فيزياء الليزروتشير تقنية الليزر عالي الطاقة إلى بُعد تصميمي جديد لتقنية توسيع طول موجة الليزر واستكشاف بلورات الليزر، وقد تُسفر عن أفكار بحثية جديدة لتطويرالبصريات الكمومية، الطب الليزري، وشاشات العرض الليزرية، وغيرها من مجالات التطبيق ذات الصلة.