前沿进展 | 暗夜寻光：突破荧光范围的激光辐射

Original 有理想爱光学 2023-04-28

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“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，山东大学于浩海、张怀金教授团队和南京大学陈延峰教授团队合作，在电声耦合的激光晶体和激光物理领域取得重要突破。他们提出了激光产生新机理，获得了突破荧光光谱范围的激光辐射，阐明了该过程的物理机制和激光材料的关键功能基元与序构关系。

相关研究成果以“Multiphonon-assisted lasing beyond the fluorescence spectrum”为题于2022年9月22日发表在Nature Physics上。同期，意大利比萨大学Alessandra Toncelli教授以“Light in the darkness”为题发表了评论文章。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

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激光是具有高亮度、高强度、高相干性的人造光，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，其发明和发展深刻改变了人们的生产生活方式，为认识自然和改造自然提供了重要工具。激光的物理过程实质是受激辐射的光放大。

长期以来，荧光光谱范围被认为是评估激光材料的重要参数，决定了可获得的激光波长范围和最终的激光效果。不同波长激光有不同的应用需求，目前荧光光谱以外的激光波长仅能以非线性频率变换技术来实现，这无疑限制了激光效率和整机简易度。因此，发现新的激光产生机理并发展新波段激光技术一直是该领域的研究热点和前沿。

03 研究创新点

该研究团队自2015年开始，始终着力于电子—声子耦合下激光与非线性光学过程的研究工作，提出了将多声子耦合效应引入到电子受激辐射过程中，从而突破荧光光谱限制，获得新波段激光的研究思路。通过建立激光过程中电子—声子耦合的物理模型，找到了激光晶体中电子—声子耦合的关键功能基元及其序构方式，实现了电子跃迁过程中的能量传递调控和激光波长拓展。

在上述研究思路的指引下，实验上他们选择具有强电声耦合作用的Yb:YCa₄O(BO₃)₃(Yb:YCOB)激光晶体（黄昆因子S=1.34）作为研究对象，最终实现了参与声子数n= 3 ~ 8的多声子耦合过程，获得了荧光光谱之外的宽波段、可调谐激光输出，突破荧光光谱超过400 nm（图1，图2）。

图1 Yb:YCOB晶体中实现突破荧光范围的激光辐射

图2 Yb:YCOB晶体中实现多声子耦合的宽波段、可调谐激光输出

此外，该团队还证明多声子-电子耦合机制是普遍的物理效应，目前已经在Yb:La₂CaB₁₀O₁₉（Yb:LCB）晶体中实现了类似的激光辐射。

04 总结与展望

该团队充分利用了激光过程中电子-声子-光子间的动态耦合作用，颠覆了激光物理中荧光光谱决定激光波长的传统思路，证明了在荧光光谱之外直接获得激光输出的可行性。多声子耦合过程，将成为倍频转换、光参量振荡、受激拉曼散射等非线性光学频率变换过程之外一种新的激光波长拓展手段。该物理机制有望在新激光材料探索、高功率激光、集成非线性光学、量子纠缠光源等方面得到应用。

论文第一作者为山东大学晶体材料研究院梁飞，通讯作者为山东大学于浩海、张怀金教授和南京大学陈延峰教授。本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、山东大学晶体材料国家重点实验室、山东大学青年学者未来计划的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01748-z

评论文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01756-z

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