近日，山东大学晶体材料国家重点实验室张怀金、于浩海教授课题组与南京大学固体微结构物理国家重点实验室陈延峰、何程教授课题组合作攻关，提出了光子-声子协同泵浦的激光产生机理，并以传统的Nd:YVO4激光晶体为代表性研究对象，突破了电子能级限制获得了超荧光的高效激光输出，揭示了其激光产生阈值与温度（声子数紧密相关）的物理关系且与居里定律表达形式相同。相关研究以“Photon-phonon collaboratively pumped laser”为题发表于Nature Communications（doi:10.1038/s41467-023-43959-9）。山东大学晶体材料国家重点实验室2020级博士生付裕和梁飞副研究员为共同第一作者，南京大学固体微结构物理国家重点实验室何程是第二作者，山东大学于浩海教授、张怀金教授和南京大学陈延峰教授为共同通讯作者。
自上世纪爱因斯坦提出光的受激辐射理论以来，激光机理得到了充分发展，并于1960年，梅曼发明了第一台光泵浦的固体激光器。在激光产生过程中，热弛豫是伴随激光产生的重要物理现象，严重影响激光性能和可获得的激光功率。热弛豫和热效应一直被认为是激光过程中关键的有害物理参量，必须通过各种热传导和制冷技术予以降低。因此，激光的发展史被认为是与废热的斗争史。
光子-声子协同泵浦激光的理论概述
研究团队长期从事激光与非线性光学材料研究，近年来，从固体物理的视角深入理解热弛豫过程。基于热（温度）的微观体现为声子的基本思想，认为热弛豫本身是电子-声子耦合的量子过程，该过程可以通过合适的激光设计，实现电子能级的量子裁剪，并获得新的电子跃迁通道产生新波长激光。基于该思考，提出了电子-声子协同泵浦的激光产生新原理，并以Nd:YVO4这一基础激光晶体为代表性研究对象，推导出了电子-声子耦合下电子的跃迁规则，同时构建了一种非制冷的光子-声子协同泵浦激光，以传统的激光二极管泵浦技术，设计了稀缺波长1168nm和1176nm的激光。在此基础上，从激光产生与电子-声子耦合基本原理出发，发现了激光产生阈值与温度的乘积为常数这一基本物理规律，与磁学中的居里定律表达形式相同，同样彰显了无序-有序相变转换过程中的基本物理规律。
光子-声子协同泵浦激光的实验实现
这一工作为激光产生机理、激光物理、高能激光等前沿研究提供了新的视角，为激光波长拓展技术及激光晶体探索研究指出了新的设计维度，为量子光学、激光医学、激光显示等相关应用领域的发展可能会带来新的研究思路。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43959-9
