החלפת פליטה באורך גל יחיד ושני באמפליטודה קוואזי-תלת-רמתית של Nd:YLF על ידי כיוונון מיקום קוטר קרן ההאכלה

לייזרים שיכולים לשנות צבע לפי דרישה

לייזרים מספקים כוח לטכנולוגיות יומיומיות מבדיקות ברקודים ועד כלי הדמיה רפואית. אבל רוב הלייזרים נעולים לצבע אור אחד בלבד, מה שמגביל את הגמישות של השימוש בהם. מחקר זה מציג שיטה חדשה ומפתיעה בפשטותה לגרום ללייזר במצב מוצק לעבור בין צבע אחד לשני צבעים של אור תת‑אדום — רק על ידי הזזה של נקודת המיקוד של אור ההאכלה בתוך הגביש. שליטה כזו עשויה להוביל למקורות קומפקטיים ויעילים יותר ליצירת אור כחול, לרפואה מדויקת ולחישה מתקדמת.

למה הצבע וההספק של הלייזר חשובים

יישומים מודרניים רבים זקוקים לאור לייזר בצבעים מסוימים ובכוח גבוה ויציב. בטווח התת‑אדום הקרוב סביב 900 ננומטר, לייזרים כאלה ניתנים להמרה לקרני כחול בוהקות לצגים ולמיקרו‑ייצור, או לשימוש ישיר באבחון רפואי ובהדמיה ביולוגית. באופן מסורתי, הפעלת לייזר בגוון חלש יותר או בשני גוונים בו‑זמנית דורשת הכנסת רכיבי אופטי מיוחדים לתא הלייזר. חלקים אלה מוסיפים איבוד ומורכבות ומקטינים את ההספק השימושי. המחברים מנצלים במקום זאת את התכונות הפנימיות של הגביש כך שהמכשיר עצמו יכול לספק או תפוקת צבע יחיד או תפוקה דו‑צבעית ללא חלקים נוספים.

גביש מיוחד ותעלול האכלה חכם

הצוות עובד עם גביש שנקרא Nd:YLF, חומר לייזר במצב מוצק מוכר. כאשר מעוררים אותו בלייזר דיאודה ב‑880 ננומטר, הגביש יכול לפלוט אור בשני צבעים תת‑אדומים קרובים מאוד סביב 903 ו‑908 ננומטר, כל אחד עם קיטוב שונה (כיוון שדה החשמלי של האור). בתוך הגביש, החימום על ידי אור ההאכלה ואניזוטרופיה טבעית של החומר מעקמים בעדינות את מסלולי קרני הלייזר, מעדיפים צבע אחד או השני. במקום להוסיף מסננים או מראות לבחירת אורך גל, החוקרים פשוט מזיזים את נקודת הריכוז הצרה (ה-waist) של קרן ההאכלה לאורך אורך הגביש. כיוונון קטן זה משנה עד כמה ההאכלה חופפת למודים האפשריים של הלייזר וכמה איבוד חווה כל צבע.

מתיאוריה לתוצר המתכוונן

כדי להבין ולשלוט בתופעה, המחברים מדמים כיצד קרן ההאכלה וקרני הלייזר חופפות בתוך הגביש, כולל כיצד החימום משנה את המיקוד הפנימי. הם מחשבים כמויות מפתח כגון הסף של כוח ההאכלה — הכוח המינימלי הנדרש לכל צבע כדי להתחיל להארית — כפונקציה של מיקום קוטר ההאכלה. הסימולציות חוזות שבמיקום אחד של הגביש קו ה‑908 ננומטר בעל הסף הנמוך ביותר, במיקום אחר קו ה‑903 ננומטר גובר, ובין השניים יש נקודת איזון שבה שניהם מגיעים לסף יחד, מה שמאפשר פעולה דו‑צבעית. תחזיות אלה מנחות את הניסוי, בו עדשות ממקדות את אור ההאכלה לתוך מוט Nd:YLF באורך 20 מילימטר המוצב על מחזיק נחושת מוּטה טמפרטורה.

החלפה בין צבע אחד לשניים

מדידות מאשרות את התמונה התיאורטית. כאשר קוטר קרן ההאכלה מונח קרוב לקצה אחד של הגביש, הלייזר פולט קרן יחידה של 908 ננומטר בעוצמה מקסימלית של 3.22 וואט וביעילות שיפוע של כ‑21 אחוז, כלומר חלק משמעותי מאנרגיית ההאכלה הנבלעת מומר לאור לייזר. ככל שה-waist מועבר עמוק יותר לתוך הגביש, הספים של שני הצבעים חוצים זה את זה, והמכשיר פולט שתי קרנים מקוטבות באופן מאונך ב‑903 וב‑908 ננומטר בו‑זמנית, בעוצמה משולבת של 2.25 וואט. הזזת ה‑waist עוד יותר מוחלת שוב את איזון הגיין, ומשאירה רק את קרן 903 ננומטר, שהגיעה ל‑2.27 וואט. לאורך כל הדרך, הקרניים היוצאות שומרות על איכות אופטי גבוהה ויציבות נסבלת בעוצמה לאורך זמן.

בקרה פשוטה לכלי לייזר עתידיים

המסר העיקרי של עבודה זו הוא כי כיוונון מדויק של מיקום מיקוד אור ההאכלה בתוך גביש יכול לשמש ככפתור שליטה מתוחכם על צבע הלייזר, ללא ויתור משמעותי על היעילות או הוספת רכיבים מסובכים. עבור המשתמשים זה אומר מכשיר אחד קומפקטי שניתן להגדירו לפעולה בהספק גבוה בצבע יחיד או לתפוקה דו‑צבעית פשוט על‑ידי כיוונון האופטיקה הממקדת. מכיוון שהשיטה נשענת על השפעות תרמיות וגיאומטריות כלליות ולא על תכונה ייחודית של Nd:YLF בלבד, ניתן להרחיבה לגבישים אחרים עם דופנציה של נדירות‑אדמה כדי לבנות משפחה של לייזרים במצב מוצק גמישים הניתנים להחלפת אורך גל עבור הדמיה, ספקטרוסקופיה וסכמות מתקדמות של המרת אור.

ציטוט: 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

מילות מפתח: לייזרים הניתנים להחלפת אורך גל, Nd:YLF, פליטה בעלי אורך גל כפול, עיצוב לייזרים במצב מוצק, מיקוד קרן ההאכלה