用于扩展荧光光谱以外激光的声子工程学
发布时间：2023-10-13 11:25:42 阅读数： 198
a，室温下 Y 切 Yb:LCB 的荧光光谱。b，不同声子数 n = 1 ~ 5 的激光光谱。c，不同声子数的激光输出功率与吸收泵浦功率的关系。作者：程艳玲、梁飞、卢大志、冯景成、张国春、于浩海、张怀进、吴一成
电子和声子是凝聚态物质的两种基本粒子（准粒子），它们在单晶体中的相互作用可以产生许多有趣的物理现象，如极化子、电荷密度波和上转换荧光。在激光晶体中，活性离子的电子跃迁可由其周围的晶格振动操纵，通过量子化声子的产生或湮灭，发射光子的能量逐渐降低或增加。
因此，通过声子辅助发射的选择性放大，可以设计出一些宽带激光波长，包括钛蓝宝石、变石、Cr:LiSAF 等。然而，所有这些激光波长仍位于自发荧光光谱内，或稍稍超出几纳米。
在多声子辅助发射中，高阶声子的产生可以逐步降低光子能量，从而使激光波长远远超出自发荧光光谱。最近，Liang 等人在声子数 n = 3~8 的 Yb:YCa4O(BO3)3 (Yb:YCOB)晶体中演示了这种多声子辅助激光，这归因于来自 "自由氧 "位点的振动模式的建设性相互作用。
然而，含有 "自由氧 "的硼酸盐非常罕见，不到稀土硼酸盐总量的百分之一，因此限制了寻找更多的强耦合激光材料。因此，在稀土硼酸盐中寻找新的结构基团对于阐明多声子耦合激光的物理机理以及找到其在生活中的独特应用至关重要。
掺镱 La2CaB10O19（Yb:LCB）晶体是吴一清教授于 1998 年发明的一种多功能激光晶体。在此，作者介绍了 Yb:LCB 晶体在荧光光谱之外的宽带激光发射。通过 Huang-Rhys S 因子计算了电子-声子耦合强度，并对声子辅助荧光线形进行了数值预测。
随着声子数 n=1 ~ 6 的增加，逐步放大微弱的多声子辅助跃迁，从而获得宽带激光发射光谱（1000-1280 nm）。理论计算表明，如此可观的激光光谱是由悬空 "准自由氧 "位点的多声子耦合产生的，这一点已在原位拉曼实验中得到证实。
Cheng 及其同事的工作潜力还不止于此。"他们补充说："Yb:LCB是一种非中心对称晶体，有可能在多声子耦合激光和倍频之间实现多学科耦合，从而制造出在可见光范围内具有扩展波长的自倍频激光器或在中红外范围内的自OPO激光器。
"这种多声子耦合激光器代表了宽带可调谐光源向前迈出的重要一步，并为超快激光、频率梳、激光显示和皮肤病学等多种应用提供了多用途途径。科学家们说："这将是固体激光工程领域的一项里程碑式的工作，就像红宝石和钛蓝宝石的发明一样。
这项研究发表在《光： 科学与应用》杂志上。
参考资料
Yanling Cheng et al, Phonon engineering in Yb:La2CaB10O19 crystal for extended lasing beyond the fluorescence spectrum, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01243-x
