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近日，山东大学晶体材料国家重点实验室于浩海、张怀金教授团队和南京大学固体微结构物理国家重点实验室陈延峰教授团队合作，在电子-声子耦合的激光晶体和激光物理领域取得重要突破。他们提出了光子-声子协同泵浦的激光产生机理，并以商品化的Nd:YVO4激光晶体作为代表性研究对象，突破了电子能级限制，实现了超越荧光的高效激光输出，揭示了激光阈值与温度阈值（与声子态密度紧密相关）满足的物理关系Pth× Tth= Constant。
相关研究成果以“Photon-phonon collaboratively pumped laser”为题于2023年12月7日发表在Nature Communications上。
研究背景 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”，为人类认识自然和改造自然提供了重要工具。1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射理论，奠定了激光产生的物理基础。1960年，梅曼发明了第一台光泵浦的红宝石激光器，拉开了激光时代的序幕。
随后，以Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:Sapphire等为代表的一系列光泵浦固体激光器实现了商品化应用。在激光产生过程中，无辐射跃迁和热弛豫是伴随激光产生的重要物理现象，会严重影响激光器的性能和激光输出功率。通常认为，热效应对提高激光功率和效率是不利的，需要通过各种高热导介质和制冷技术予以降低。因此，激光60多年的发展历史被认为是一部与废热的斗争史。
研究创新点 近年来，研究团队坚持电子-声子耦合激光晶体的研究，发展了系列多声子耦合激光器[Nat. Phys. 18, 1312-1316, (2022); Light Sci & Appl 12, 203, (2023)]，大幅拓展了传统激光晶体的波长范围。团队基于热（温度）是微观粒子的无序运动这一基本思想，从固体物理的视角深入理解热弛豫过程。声子可以视为晶格热振动的能量量子，热弛豫是一种量子化的电子-声子耦合效应，该过程可以通过合适的激光设计，实现电子能级的量子剪裁，获得新的电子跃迁通道并产生新波长激光。
基于该思考，研究团队提出了电子-声子协同泵浦的激光新原理，并以商品化的Nd:YVO4激光晶体作为代表性研究对象，开展温度依赖的电子-声子耦合激光性能研究。Nd3+掺杂的激光晶体电子-声子耦合强度很弱（S<0.1），在以前的研究中普遍都忽略了电声耦合对激光波长拓展的作用。该团队首先推导了电子-声子耦合下的电子跃迁选择定则，并在Nd:YVO4晶体的高温荧光光谱中得到实验验证。基于传统的激光二极管泵浦技术，设计特殊的谐振腔，实现了光子-声子协同泵浦的1168 nm和1176 nm激光辐射。在不制冷的条件下，1176 nm连续激光的斜效率达到34.3%，超过了所有水冷的同类型Nd:YVO4拉曼和自拉曼激光器。
图1 光子-声子协同泵浦的激光物理模型
1176 nm激光是零声子线1064 nm和相干声子A1g模式（ωp=891 cm-1）耦合产生的，表现出明显的温度阈值特性。在不改变二极管泵浦功率的条件下，仅通过改变温度即可实现从1064 nm激光到1176 nm激光的转变。在此基础上，该团队从激光辐射与电子-声子耦合基本原理出发，发现了在光子-声子协同泵浦的激光中，光子泵浦的功率阈值Pth与声子泵浦的温度阈值Tth两者乘积为一个常数(Pth× Tth= Constant)，这一基本物理规律与磁学中的居里-外斯定律表达形式相同，彰显了有序-无序相变过程中的基本物理规律。常数C的值与激光晶体组分有关，Nd:YVO4晶体的常数C为3388±158 W•K。
图2 Nd:YVO4晶体激光转变与波长调谐特性
图3 Nd:YVO4晶体高温激光性能与实验数据分析
总结与展望 该项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研究提供了新的设计维度。电子-声子协同泵浦的新波长激光及其独特的温度特性，有望对量子光学、激光医学、激光显示等应用领域的发展提供新的研究思路。
论文第一作者为山东大学晶体材料研究院付裕、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。该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、南京大学固体微结构物理国家重点实验室的大力支持。
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