Phononentechnik für erweitertes Lasern über das Fluoreszenzspektrum hinaus

Das Elektron und das Phonon sind zwei grundlegende Teilchen (Quasiteilchen) kondensierter Materie, und ihr Zusammenspiel in Einkristallen kann viele interessante physikalische Phänomene hervorrufen, wie z. B. Polaritonen, Ladungsdichtewellen und Aufwärtskonversionsfluoreszenz. Im Laserkristall können die elektronischen Übergänge eines aktiven Ions durch die Schwingungen seines umgebenden Gitters manipuliert werden, wodurch die emittierte Photonenenergie durch die Erzeugung oder Vernichtung quantisierter Phononen allmählich abnimmt oder zunimmt.

Daher können einige breitbandige Laserwellenlängen durch die selektive Verstärkung der Phononen-unterstützten Emission entworfen werden, darunter Ti:Saphir, Alexandrit, Cr:LiSAF usw. Alle diese Laserwellenlängen liegen jedoch immer noch innerhalb des spontanen Fluoreszenzspektrums oder mit einigen Nanometern etwas außerhalb.

Bei der Multiphonon-unterstützten Emission kann die Erzeugung von Phononen höherer Ordnung die Photonenenergie schrittweise reduzieren und so die Laserwellenlängen weit über das spontane Fluoreszenzspektrum hinaus verschieben. Kürzlich haben Liang et. al. demonstrierten ein solches Multiphonon-unterstütztes Lasern in Yb:YCa4O(BO3)3 (Yb:YCOB)-Kristallen mit der Phononenzahl n = 3~8, was auf konstruktive Wechselwirkungen von Schwingungsmoden von Stellen mit „freiem Sauerstoff“ zurückzuführen ist.

Borate, die „freien Sauerstoff“ enthalten, sind jedoch sehr selten, sie machen weniger als ein Prozent der gesamten Seltenerdborate aus, was die Suche nach Lasermaterialien mit stärkerer Kopplung einschränkt. Daher ist die Suche nach neuen Strukturmotiven in Seltenerdboraten sehr wichtig, um den physikalischen Mechanismus des Multiphonon-Kopplungslaserns zu erforschen und auch ihre besonderen Anwendungen in unserem Leben zu finden.

Der Yb-dotierte La2CaB10O19 (Yb:LCB)-Kristall ist ein multifunktionaler Laserkristall, der 1998 von Prof. Yicheng Wu erfunden wurde. Hier präsentieren die Autoren eine breitbandige Laseremission im Yb:LCB-Kristall, die über sein Fluoreszenzspektrum hinausgeht. Die Elektron-Phonon-Kopplungsintensität wird durch den Huang-Rhys-S-Faktor berechnet und die Phonon-unterstützte Fluoreszenzlinienform wird numerisch vorhergesagt.

Ein breitbandiges Laseremissionsspektrum (1000–1280 nm) wird durch schrittweises Verstärken der schwachen Multiphononen-unterstützten Übergänge mit steigenden Phononenzahlen n=1 ~ 6 erhalten. Theoretische Berechnungen zeigen, dass ein derart umfangreiches Laserspektrum der Multiphononenkopplung gewidmet ist an einer baumelnden Stelle mit „quasifreiem Sauerstoff“, wie durch das In-situ-Raman-Experiment gezeigt wurde.

Das Potenzial der Arbeit von Cheng und Kollegen endet hier nicht. „Yb:LCB ist ein nicht zentrosymmetrischer Kristall. Es ist möglich, eine multidisziplinäre Kopplung zwischen multiphonongekoppeltem Lasern und Frequenzverdopplung herzustellen und so einen Selbstfrequenzverdopplungslaser mit erweiterten Wellenlängen im sichtbaren Bereich oder einen Selbst-OPO-Laser herzustellen.“ im mittleren Infrarotbereich.“ sie fügten hinzu.

„Dieser Multiphonon-Kopplungslaser stellt einen bedeutenden Fortschritt für abstimmbare Breitbandquellen dar und bietet einen vielseitigen Weg für viele Anwendungen, z. B. ultraschnelle Laser, Frequenzkamm, Laseranzeige und Dermatologie. Dies wäre ein Meilenstein in der Festkörperlasertechnik.“ die Erfindung von Rubin und Ti:Saphir“, sagen die Wissenschaftler.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Licht: Wissenschaft und Anwendungen.