励起ビームのウエスト位置を調整して単一/二重波長発振を切り替える準3準位Nd:YLFレーザー

必要に応じて色を変えられるレーザー

バーコードスキャナーから医療用イメージング機器まで、レーザーは日常の多くの技術を駆動しています。しかしほとんどのレーザーは単一の光色に固定されており、応用の柔軟性が制限されます。本研究は、固体レーザー内で入射ポンプ光の集光位置をわずかにずらすだけで、赤外光の単色発振と二色発振を切り替えられるという新しく意外に簡便な手法を示します。こうした制御は、青色光生成、精密医療、高度なセンシングのためのより小型で効率的な光源につながります。

なぜレーザーの色と出力が重要なのか

多くの現代的な用途は特定の波長と高く安定した出力のレーザー光を必要とします。およそ900ナノメートル付近の近赤外領域では、こうしたレーザーはディスプレイやマイクロ加工向けの明るい青色ビームへ変換されたり、医療診断や生物学的イメージングに直接用いられたりします。従来は、弱い波長で動作させる、あるいは同時に二つの波長を得るために、レーザー共振器内に特殊な光学素子を挿入する必要がありました。これらの部品は損失と複雑性を増し、有効出力を低下させます。著者らは代わりに結晶自身の内部特性を利用し、追加部品なしで単一色または二色の出力を切り替えられるようにしています。

特殊な結晶と巧みなポンピングのトリック

研究チームが用いるのはNd:YLFというよく知られた固体レーザー材料です。880ナノメートルのダイオードレーザーで励起すると、この結晶は903ナノメートルと908ナノメートル近傍の非常に近い二つの赤外波長を、それぞれ異なる偏光で放射できます。結晶内部ではポンプ光による加熱と材料の固有の異方性がレーザービームの経路を微妙に変え、どちらかの波長を有利にします。波長を選ぶためにフィルターや鏡を追加する代わりに、研究者たちはポンプビームの最も細い点（ウエスト）を結晶の長手方向に沿って移動させるだけにとどめます。この小さな調整が、ポンプと可能なレーザーモードの重なり具合や各波長が受ける損失を変化させます。

理論から調整可能な出力へ

この効果を理解し制御するために、著者らは結晶内部でのポンプビームとレーザービームの重なり、ならびに加熱が内部集光に与える影響を含めてモデル化しました。彼らはポンプウエスト位置の関数として各波長がレーザー発振を始めるために必要な閾値ポンプ出力などの主要量を計算しました。シミュレーションは、あるウエスト位置では908ナノメートル線の閾値が最も低く、別の位置では903ナノメートル線が優勢になり、その間には両方が同時に閾値に達して二色動作が可能になるスイートスポットが存在することを予測します。これらの予測に沿って実験を行い、レンズでポンプ光を20ミリメートル長のNd:YLFロッドに集光し、ロッドは温度制御された銅のホルダーに取り付けられました。

単色と二色の切り替え

測定は理論像を裏付けます。ポンプウエストを結晶の一端近くに置くと、レーザーは最大出力3.22ワット、スロープ効率約21パーセントの単一の908ナノメートルビームを放射します。ウエストを結晶内部へ移動させると両波長の閾値が交差し、装置は903と908ナノメートルの直交偏光の二本のビームを同時に発するようになり、合計出力は2.25ワットでした。さらにウエストを移動すると利得のバランスが再び傾き、903ナノメートルのみが残って2.27ワットに達します。全体を通して、出力ビームは高い光学品質を保ち、出力の安定性も良好でした。

将来のレーザー機器のための簡便な制御法

この研究の主な結論は、結晶内部でポンプ光がどこに集光されるかを微調整することが、波長を制御する強力な手段になり得るということです。効率を大きく犠牲にしたり複雑な構成部品を追加したりすることなく実現できます。利用者にとっては、集光光学を調節するだけで高出力の単色運転と二色出力を切り替えられる一台のコンパクトな装置が意味を持ちます。この手法はNd:YLFの固有特性にのみ依存するものではなく、一般的な熱的・幾何学的効果に基づいているため、他の希土類ドープ結晶にも拡張でき、イメージング、分光、先進的な光変換スキーム向けの柔軟な波長切替可能な固体レーザー群を構築する道を開きます。

引用: 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

キーワード: 波長切替可能レーザー, Nd:YLF, 二波長発振, 固体レーザー設計, ポンプビームの集光