Omschakelen tussen enkele en dubbele golflengte-emissie in een quasi‑drie‑niveaus Nd:YLF‑laser door de focuspositie van de pompstraal aan te passen

Lasers die van kleur kunnen veranderen op verzoek

Lasers voeden alledaagse technologieën aan, van streepjescanners tot medische beeldvorming. Maar de meeste lasers zijn vastgezet op één enkele lichtkleur, wat hun inzetbaarheid beperkt. Deze studie toont een nieuwe en verrassend eenvoudige methode om een vastestoflaser te laten schakelen tussen één kleur en twee kleuren infraroodlicht — alleen door te verschuiven waar het binnenkomende pomplicht in het kristal wordt gefocusseerd. Die vorm van controle kan leiden tot compactere, efficiëntere bronnen voor blauwlichtgeneratie, precisiegeneeskunde en geavanceerde detectie.

Waarom laserkleur en vermogen ertoe doen

Veel moderne toepassingen vragen om laserlicht met specifieke kleuren en met hoog, stabiel vermogen. In het nabij‑infrarode bereik rond 900 nanometer kunnen dergelijke lasers worden omgezet in heldere blauwe bundels voor beeldschermen en microfabricage, of direct worden gebruikt voor medische diagnostiek en biologische beeldvorming. Traditioneel vereist het laten werken van een laser op een zwakkere golflengte, of op twee golflengten tegelijk, het inbrengen van speciale optische elementen in de resonator. Die onderdelen voegen verlies en complexiteit toe en verminderen het bruikbare vermogen. De auteurs benutten in plaats daarvan de interne eigenschappen van het kristal zelf, zodat hetzelfde apparaat óf een enkele kleur óf een dubbele kleur kan leveren zonder extra onderdelen.

Een speciaal kristal en een slimme pomptechniek

Het team werkt met een kristal dat Nd:YLF heet, een bekend vastestoflasermateriaal. Wanneer het wordt aangeslagen door een diodelaser bij 880 nanometer, kan dit kristal licht uitstralen op twee zeer nabijgelegen infrarode lijnen rond 903 en 908 nanometer, elk met een verschillende polarisatie (richting van het elektrische veld). Binnenin het kristal herschikken warmte van het pomplicht en de natuurlijke anisotropie van het materiaal subtiel de laserbaan, waardoor de ene kleur wordt bevoordeeld boven de andere. In plaats van filters of extra spiegels te gebruiken om een golflengte te selecteren, verplaatsen de onderzoekers eenvoudig het smalste punt (de waist) van de pompstraal langs de lengte van het kristal. Deze kleine aanpassing verandert hoe goed de pomp overlapt met de mogelijke lasermodi en hoeveel verlies elke kleur ondervindt.

Van theorie naar instelbare output

Om dit effect te begrijpen en te beheersen, modelleren de auteurs hoe de pompstraal en de laserstralen binnen het kristal overlappen, inclusief hoe verwarming de interne focusing verandert. Ze berekenen sleutelgroottes zoals het drempelpompvermogen — het minimale vermogen dat nodig is voor elke kleur om te gaan laseren — als functie van de positie van de pompwaist. De simulaties voorspellen dat bij een positie in het kristal de 908‑nanometerlijn de laagste drempel heeft, bij een andere positie de 903‑nanometerlijn dominant is, en daartussen is een gebied waar beide gelijktijdig de drempel bereiken, wat dubbele kleurwerking mogelijk maakt. Deze voorspellingen begeleiden het experiment, waarbij lenzen het pomplicht richten op een 20 millimeter lange Nd:YLF‑staaf gemonteerd op een temperatuurgereguleerde koperen houder.

Schakelen tussen één kleur en twee

Metingen bevestigen het theoretische beeld. Wanneer de pompwaist nabij het ene uiteinde van het kristal wordt geplaatst, straalt de laser een enkele 908‑nanometerbundel uit met een maximaal uitgangsvermogen van 3,22 watt en een helling‑efficiëntie van ongeveer 21 procent, wat betekent dat een aanzienlijk deel van het geabsorbeerde pompvermogen wordt omgezet in laserlicht. Naarmate de waist dieper in het kristal wordt verschoven, kruisen de drempels van de twee kleuren elkaar en geeft het apparaat gelijktijdig twee orthogonaal gepolariseerde bundels bij 903 en 908 nanometer af, met een gecombineerd vermogen van 2,25 watt. Het verder verschuiven van de waist kantelt opnieuw de winstbalans, zodat alleen de 903‑nanometerbundel overblijft, die 2,27 watt bereikt. Gedurende het hele proces blijven de uitvoerbundels van hoge optische kwaliteit en redelijk stabiel in vermogen in de tijd.

Eenvoudige controle voor toekomstige laserinstrumenten

De kernboodschap van dit werk is dat het fijn afstemmen van de focuspositie van het pomplicht binnen een kristal kan dienen als een krachtig regelwiel voor laserkleur, zonder veel efficiëntie op te offeren of complexe componenten toe te voegen. Voor gebruikers betekent dat één compact apparaat dat kan worden geconfigureerd voor hoogvermogen en enkelkleurige werking of voor dubbele kleuruitvoer simpelweg door de focusoptiek aan te passen. Omdat de methode berust op algemene thermische en geometrische effecten in plaats van op een unieke eigenschap van Nd:YLF alleen, zou deze benadering kunnen worden uitgebreid naar andere zeldzame‑aarde‑gedoteerde kristallen om een familie flexibele, golflengte‑schakelbare vastestoflasers te bouwen voor beeldvorming, spectroscopie en geavanceerde lichtconversieschema's.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: golflengte‑schakelbare lasers, Nd:YLF, dubbele golflengte‑emissie, vastestoflaserd ontwerp, pompstraal focussering