Laser induced broad band white emission from transparent Cr4+:YAG ceramics: Origin of broadband emission

在激光领域，科学家们经常寻找能够以有用方式弯曲光线的材料，使其充当强大光束的引擎或开关。其中一种材料是一种由掺杂了铬离子的铝酸钇透明陶瓷。这种物质因其控制激光脉冲的能力而闻名遐迩，但它还隐藏着一个秘密。在非常特定的条件下，当受到一束聚焦的不可见红外光照射时，这种透明陶瓷会突然发出明亮的、宽光谱的白光。这种被称为“激光诱导白光发射”的现象并非像灯丝发热变红那样简单的加热效应。相反，它是一种复杂的相互作用，材料同时吸收多个光能包，触发一系列连锁反应，从而产生一簇可见色彩的爆发。理解这一过程至关重要，因为它揭示了能量如何在固体材料中移动，并可能为产生光或控制激光束提供新的途径。

波兰低温与结构研究所的研究人员致力于利用高质量透明陶瓷来调查这一发光的奥秘。他们将一个抛光的圆盘状样品放置在真空室中，通过移除几乎所有的空气来创建一个近乎完美的真空环境。然后，他们用一束波长为1064纳米的聚焦红外光照射在陶瓷表面。当光强足够高且压力足够低时，陶瓷表面会出现一个灿烂的白光点。这种光并非来自陶瓷内部，而严格来说是一种表面现象。研究人员发现，只有当激光功率超过某个阈值时，这种光才会出现；一旦开始，随着他们调高激光功率，亮度会剧烈增加。

团队仔细测量了这种光的特性，以了解其本质。他们发现，这种白光是中心位于650纳米处的宽带颜色，该波长处于可见光谱的红光部分，但由于分布足够广泛，在人眼看来呈现为白色。这种光的出现和消失都非常迅速，上升时间约为9毫秒，衰减时间约为6毫秒。这种速度远快于在其他材料中观察到的类似发光效应，从而排除了陶瓷仅仅是像火中的金属一样变热发光的可能性。如果它是热辐射，光线会持续更长时间，并且会包含一个很强的红外尾部，但研究人员都没有观察到这些现象。此外，样品在数小时的暴露后没有显示出任何损坏迹象，证实了材料在过程中保持了相对较低的温度。

调查的一个关键部分涉及观察激光束穿过样品时的变化。研究人员注意到，当白光明亮照射时，穿过陶瓷的激光束强度更高。然而，一旦白光消失（无论是由于他们移动了激光光斑，还是因为他们让空气重新进入腔室），透射光的功率就会下降。这表明，产生白光的进程同时也使材料对激光束变得更加透明，这种现象被称为“自透明”。这种行为表明，激光在材料内部产生了自由移动的电子，这些电子随后改变了光在其中的传播方式。

为了解释这些观察结果，科学家们提出了一个涉及陶瓷中存在的不同形式铬离子的模型。该材料含有两种不同状态的铬离子，它们像一对搭档一样，其中一个可以将电子交给另一个。当强烈的激光撞击表面时，它迫使一个电子从一个离子跳跃到另一个离子，然后将该电子推向靠近表面的一个特殊区域，在那里电荷发生堆积。这个电子随后与表面的缺陷或被捕获的氧分子发生相互作用，在返回铬离子之前，以宽光谱白光的形式释放其能量。研究人员指出，这一过程对空气压力高度敏感；如果压力上升到0度.5毫巴以上，白光会完全消失，这表明周围的空气干扰了产生发光所需的精细电子转移过程。

研究结论认为，这种白光是陶瓷表面电子进行多步“舞蹈”的结果，这种舞蹈是由激光中的多光子吸收所驱动的。虽然关于能量如何以光的形式释放的准确细节仍在不断完善中，但证据指向了一个涉及混合价态铬对和表面电荷区域的机制。这项工作为透明陶瓷在极端激光条件下的表现提供了更清晰的图景，将这种表面发光与材料的体相性质区分开来，并为人类如何从微观层面理解光与物质的相互作用提供了新的视角。