تبديل الانبعاث بطول موجي واحد وثنائي في ليزر Nd: YLF شبه ثلاثي المستويات بواسطة ضبط موضع خصر شعاع الضخ

ليزرات تتغير ألوانها عند الطلب

تشغل الليزرات تقنيات يومية من ماسحات الباركود إلى أدوات التصوير الطبي. لكن معظم الليزرات مقيدة بلون واحد من الضوء، ما يقلص مرونتها في الاستخدام. تُظهر هذه الدراسة طريقة جديدة ومفاجئة البساطة لجعل ليزر صلب الحالة يتحول بين لون واحد ولونين من الضوء تحت الأحمر — بمجرد تحريك نقطة تركيز ضوء الضخ داخل البلورة. يمكن أن يتحول هذا النوع من التحكم إلى مصادر أكثر إحكاماً وكفاءة لتوليد الضوء الأزرق، والطب الدقيق، والقياس المتقدم.

لماذا يهم لون الليزر والقدرة

تحتاج العديد من التطبيقات الحديثة إلى ضوء ليزر بألوان محددة وبقدرة عالية ومستقرة. في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريب حول 900 نانومتر، يمكن تحويل هذه الليزرات إلى حزم زرقاء ساطعة لشاشات العرض والصناعة الدقيقة، أو استخدامها مباشرة للتشخيص الطبي وتصوير الأحياء. تقليدياً، يتطلب تشغيل ليزر عند لون أضعف أو عند لونين معاً إدخال عناصر بصرية خاصة داخل حجرة الليزر. تضيف هذه الأجزاء خسارة وتعقيداً، مما يقلل القدرة المفيدة. بدلاً من ذلك، يستغل المؤلفون خصائص البلورة الداخلية بحيث يمكن للجهاز نفسه أن يقدم مخرجاً بلون واحد أو بلونين دون قطع إضافية.

بلورة خاصة وحيلة ضخ ذكية

يعمل الفريق ببلورة تُدعى Nd:YLF، وهي مادة ليزر صلبة معروفة. عند إثارتها بواسطة ليزر ثنائي الصمام عند 880 نانومتراً، يمكن لهذه البلورة أن تصدر ضوءاً بطولين موجيين تحت الحمر قريبين عند نحو 903 و908 نانومتراً، لكل منهما استقطاب مختلف (اتجاه المجال الكهربائي للضوء). داخل البلورة، يشكل التسخين الناتج عن ضوء الضخ وعدم تناظر المادة مسارات الحزم الضوئية بشكل طفيف، مما يفضّل أحد الأطوال الموجية على الآخر. بدلاً من إضافة مرشحات أو مرايا لاختيار الطول الموجي، يقوم الباحثون ببساطة بتحريك أضيق نقطة (الخصر) لشعاع الضخ على طول البلورة. هذا التعديل الصغير يغير مدى تداخل الضخ مع أوضاع الليزر الممكنة ومقدار الخسارة التي يتعرض لها كل لون.

من النظرية إلى مخرج قابل للتبديل

لفهم هذا التأثير والتحكم فيه، يصمم المؤلفون نموذجاً لكيفية تداخل شعاع الضخ وأشعة الليزر داخل البلورة، بما في ذلك كيفية تأثير التسخين على التركيز الداخلي. يحسبون كميات أساسية مثل عتبة قدرة الضخ — الحد الأدنى من القدرة اللازم لكل لون لبدء التوليد الضوئي — كدالة لموضع خصر الضخ. تتنبأ المحاكاة بأنه عند موضع معين للبلورة تكون خط الطول 908 نانومتراً هو الأقل في العتبة، وعند موضع آخر يفوز خط 903 نانومتراً، وفي المنتصف يوجد نقطة مثالية حيث يصل كلا الخطين إلى العتبة معاً، مما يسمح بالتشغيل ثنائي اللون. توجه هذه التنبؤات التجربة، حيث تركز العدسات ضوء الضخ في قضيب Nd:YLF بطول 20 مليمتراً موضوع على حامل نحاسي مسيطر على حرارته.

التبديل بين لون واحد وثنائي

تؤكد القياسات الصورة النظرية. عندما يُوضع خصر شعاع الضخ بالقرب من أحد طرفي البلورة، ينبعث من الليزر شعاع وحيد عند 908 نانومتراً بقدرة خرج قصوى تبلغ 3.22 واط وكفاءة ميل تبلغ نحو 21 بالمئة، ما يعني أن جزءاً كبيراً من قدرة الضخ الممتصة يتحول إلى ضوء ليزر. عند تحريك الخصر أعمق داخل البلورة، تتقاطع عتبات اللونين، ويصدر الجهاز شعاعين مستقطبين متعامدين عند 903 و908 نانومتراً في وقت واحد، بقدرة إجمالية 2.25 واط. مزيد من تحريك الخصر يغير توازن الكسب مرة أخرى، ليبقى فقط شعاع 903 نانومتراً الذي يصل إلى 2.27 واط. طوال الوقت، تظل الحزم الخارجة عالية الجودة بصرياً ومستقرة نسبياً في القدرة مع مرور الزمن.

تحكم بسيط لأدوات ليزر مستقبلية

الرسالة الرئيسية في هذا العمل هي أن الضبط الدقيق لموضع تركيز ضوء الضخ داخل بلورة يمكن أن يكون مقبض تحكم قوي للون الليزر، دون التضحية بالكثير من الكفاءة أو إضافة مكوّنات معقدة. للمستخدمين، يعني ذلك جهازاً واحداً مدمجاً يمكن تكوينه للتشغيل أحادي اللون عالي القدرة أو للمخرج ثنائي اللون ببساطة عن طريق ضبط البصريات المركزة. وبما أن النهج يعتمد على تأثيرات حرارية وهندسية عامة بدل الاعتماد على خاصية فريدة في Nd:YLF فقط، فيمكن توسيعه إلى بلورات مخدومة بنادر أرضية أخرى لبناء عائلة من الليزرات الصلبة المرنة القابلة لتغيير الطول الموجي للتصوير والمطيافية ومخططات تحويل الضوء المتقدمة.

الاستشهاد: Huang, H., Li, Y., Xia, J. et al. Switching single and dual wavelength emission in a quasi-three-level Nd: YLF laser by adjusting pump beam waist position. Sci Rep 16, 11452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42383-5

الكلمات المفتاحية: ألياف ليزر قابلة لتغيير الطول الموجي, Nd:YLF, انبعاث بطولي موجيين, تصميم الليزر الحبيبي الصلب, تركيز شعاع الضخ