최근 레이저 발생 메커니즘의 발전과 새로운 레이저 연구

최근 레이저 발생 메커니즘의 발전과 새로운 기술레이저 연구
최근 산둥대학교 결정재료 국가핵심연구소의 장화이진 교수와 위하오하이 교수 연구팀, 그리고 난징대학교 고체미세구조물리 국가핵심연구소의 천옌펑 교수와 허청 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 광자-포논 협력 펌핑에 의한 레이저 발생 메커니즘을 제안하고, 기존의 Nd:YVO4 레이저 결정을 대표적인 연구 대상으로 삼아 고효율 초형광 레이저 출력을 얻어냈습니다. 이 연구에서는 전자 에너지 준위 한계를 돌파하여 레이저 발생 임계값과 온도(포논 수와 밀접한 관련) 사이의 물리적 관계를 규명했으며, 그 표현 형태가 퀴리의 법칙과 동일함을 밝혀냈습니다. 이 연구는 "광자-포논 협력 펌핑 레이저(Photon-phonon collaboratively pumped laser)"라는 제목으로 Nature Communications(doi:10.1038/S41467-023-433959-9)에 게재되었습니다. 산둥대학교 결정재료 국가핵심연구소 2020년 박사 과정생인 위푸와 페이량은 공동 제1저자이며, 난징대학교 고체미세구조물리 국가핵심연구소의 청허가 제2저자이고, 산둥대학교의 위하오하이 교수와 장화이진 교수, 그리고 난징대학교의 천옌펑 교수가 공동 교신저자이다.
지난 세기 아인슈타인이 빛의 유도 복사설을 제안한 이후 레이저 메커니즘은 완전히 발전했으며, 1960년 마이만은 최초의 광학 펌핑 고체 레이저를 발명했습니다. 레이저 발생 과정에서 열 완화는 레이저 성능과 유효 레이저 출력에 심각한 영향을 미치는 중요한 물리적 현상입니다. 열 완화와 열 효과는 레이저 공정에서 핵심적인 유해 물리적 변수로 여겨져 왔으며, 다양한 열 전달 및 냉각 기술을 통해 반드시 줄여야 했습니다. 따라서 레이저 개발의 역사는 폐열과의 싸움의 역사라고 할 수 있습니다.

광자-포논 협력 펌핑 레이저의 이론적 개요

연구팀은 오랫동안 레이저 및 비선형 광학 재료 연구에 매진해 왔으며, 최근에는 고체 물리학적 관점에서 열 완화 과정을 심도 있게 연구해 왔습니다. 열(온도)이 미시적 포논에 내재되어 있다는 기본 개념에 기반하여, 열 완화 자체가 전자-포논 결합의 양자 과정이며, 이를 통해 적절한 레이저 설계를 통해 전자 에너지 준위의 양자적 조절이 가능하고, 새로운 전자 전이 채널을 얻어 새로운 파장을 생성할 수 있다고 판단했습니다.원자 램프이러한 사고를 바탕으로 새로운 전자-포논 협력 펌핑 레이저 발생 원리를 제안하고, 기본 레이저 결정인 Nd:YVO4를 대표 대상으로 하여 전자-포논 결합 하에서의 전자 전이 규칙을 유도하였다. 동시에, 기존의 레이저 다이오드 펌핑 기술을 이용하여 비냉각식 광자-포논 협력 펌핑 레이저를 제작하였다. 1168nm와 1176nm의 희귀 파장을 갖는 레이저를 설계하였다. 이를 토대로 레이저 발생 및 전자-포논 결합의 기본 원리를 바탕으로 레이저 발생 문턱값과 온도의 곱이 일정함을 발견하였으며, 이는 자기학에서 퀴리의 법칙과 동일한 표현이며, 무질서 상전이 과정의 기본 물리 법칙을 입증한다.

광자-포논 협력의 실험적 구현펌핑 레이저

본 연구는 레이저 발생 메커니즘에 대한 최첨단 연구에 새로운 관점을 제시합니다.레이저 물리학고에너지 레이저 분야에서는 레이저 파장 확장 기술과 레이저 결정 연구에 새로운 설계 차원을 제시하고, 레이저 기술 개발에 새로운 연구 아이디어를 제공할 수 있을 것이다.양자 광학레이저 의학, 레이저 디스플레이 및 기타 관련 응용 분야.