近日，晶体材料全国重点实验室于浩海教授、张怀金教授团队与南京大学陈延峰教授团队合作在固体物理新效应和激光晶体材料领域取得重要突破。国际首次提出了由电子（Electron）、声子（Phonon）、光子（Photon）耦合的准粒子并命名为“EPPTON”，原创性地构建了激光晶体的强耦合系统并予以实验验证，揭示了EPPTOP准粒子引发的高效、宽带激光和倍频新机制，提出了全新的声子外差激光新概念，实现了范围超过150 nm的超宽带倍频激光输出，较传统技术拓宽100倍以上，开辟了自适应非线性光学和强场耦合激光材料调控新方向。研究成果以Electron‒phonon‒photon excitation in steady nonlinear lasing为题在线发表在国际期刊Nature Physics上。论文第一作者为山东大学梁飞和南京大学何程，通讯作者为于浩海、张怀金和陈延峰教授。

电子、声子和光子是晶体材料三种基本的能量载体，对其激发态调控和耦合效应的研究是发现晶体新规律、提升晶体新物性和开辟晶体新应用的关键。然而，电子、声子和光子三者之间的能量或动量尺度存在巨大差异，三者耦合强度极低、耦合时间极短，导致长期未能实现电子、声子和光子共同耦合的相干激发态，也未能发现三者强耦合导致的新效应和新功能。因此，提高电子、声子和光子的激发效率和耦合强度，实现高效精准的晶格调控，一直是固体物理和晶体材料领域的最为基础性和极具挑战性的问题。

基于声子外差相位匹配的超宽带倍频激光

本工作提出将声子耦合效应引入到激光产生与频率转换过程中，利用相干声子外差效应补偿动量失配，从而为激光晶体的晶格调控和功能拓展提供了新的思路。构建了激光过程中电子、声子和光子的多重耦合物理模型，发现了三者共同耦合形成的激发态准粒子“EPPTON”。设计了针对不同波长的激光谐振腔，验证了激光辐射对EPPTON的选择和调制作用。在声子耦合激光晶体中沿主平面方向实现了2.47%的倍频激光效率，相比传统晶体提高了3个数量级，证明了声子外差对光子非线性过程中相位失配的精准补偿作用，从而发展出一种新型的声子外差相位匹配机制(Phonon-heterodyne-matching，PHM)，开辟了激光晶体材料与物理机制研究新前沿。基于EPPTON准粒子调控发展出的PHM技术，将成为双折射相位匹配和准相位匹配技术之外又一种新的相位匹配方式，为激光材料研究提供了新方向。这种功能集成激光晶体和超宽带激光器件将在量子调控、太赫兹光子学和声子激光等前沿领域具有重要的应用前景。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重大科技创新工程和晶体材料全国重点实验室的大力支持。