Przełączanie emisji na jednej i dwóch długościach fali w quasi‑trójpoziomowym laserze Nd:YLF przez regulację położenia talii wiązki pompującej

Lasery, które zmieniają kolor na żądanie

Lasery zasilały codzienne technologie od czytników kodów kreskowych po narzędzia obrazowania medycznego. Jednak większość laserów emituje światło tylko jednego koloru, co ogranicza zakres ich zastosowań. Badanie to pokazuje nowe, zaskakująco proste rozwiązanie pozwalające na przełączanie lasera ciała stałego między jedną a dwiema barwami podczerwieni — jedynie poprzez przesunięcie punktu, w którym światło pompujące jest ogniskowane wewnątrz kryształu. Taka kontrola może przełożyć się na bardziej kompaktowe i wydajne źródła do generacji niebieskiego światła, precyzyjnej medycyny i zaawansowanego wykrywania.

Dlaczego kolor i moc lasera mają znaczenie

Wiele współczesnych zastosowań wymaga światła laserowego o konkretnych barwach i o dużej, stabilnej mocy. W bliskiej podczerwieni wokół 900 nanometrów takie lasery można przekształcać w intensywne wiązki niebieskie do wyświetlaczy i mikrofabrykacji albo używać bezpośrednio w diagnostyce medycznej i obrazowaniu biologicznym. Tradycyjnie osiągnięcie pracy na słabszej linii widmowej lub jednoczesnej emisji dwóch linii wymaga wstawienia specjalnych elementów optycznych do rezonatora. Części te wprowadzają straty i komplikują układ, zmniejszając użyteczną moc. Autorzy wykorzystują zamiast tego wewnętrzne właściwości kryształu, tak że to samo urządzenie może dostarczać albo pojedynczą barwę, albo dwu‑barwne wyjście bez dodatkowych elementów.

Szczególny kryształ i sprytna metoda pompowania

Zespół pracuje z kryształem zwanym Nd:YLF, dobrze znanym materiałem do laserów ciała stałego. Po wzbudzeniu diodą na 880 nanometrów kryształ ten może emitować światło na dwóch bardzo bliskich liniach podczerwieni około 903 i 908 nanometrów, każda o innej polaryzacji (kierunku pola elektrycznego światła). Wewnątrz kryształu ciepło od wiązki pompującej i naturalna anizotropia materiału subtelnie zmieniają tory promieni, faworyzując jedną lub drugą linię. Zamiast dodawać filtry czy lustra wybierające długość fali, badacze po prostu przesuwają najwęższy punkt (talię) wiązki pompującej wzdłuż długości kryształu. Ta niewielka regulacja zmienia nakładanie się pompu z możliwymi modami laserowymi i wielkość strat doświadczanych przez każdą barwę.

Od teorii do regulowanego wyjścia

Aby zrozumieć i kontrolować ten efekt, autorzy modelują, jak wiązka pompująca i wiązki laserowe nakładają się wewnątrz kryształu, uwzględniając, jak nagrzewanie zmienia wewnętrzne ogniskowanie. Obliczają kluczowe wielkości, takie jak moc progowa pompu — minimalna moc potrzebna, by każda z linii zaczęła lase­rować — w funkcji położenia talii pompy. Symulacje przewidują, że w jednym położeniu kryształu linia 908 nm ma najniższy próg, w innym wygrywa 903 nm, a między nimi istnieje punkt, w którym obie linie osiągają próg jednocześnie, umożliwiając emisję dwu‑barwną. Prognozy te kierują eksperymentem, w którym soczewki ogniskują światło pompujące w 20‑milimetrowym pręcie Nd:YLF zamocowanym na miedzianym uchwycie kontrolowanym temperaturowo.

Przełączanie między jedną barwą a dwiema

Pomiary potwierdzają teoretyczny obraz. Gdy talia wiązki pompującej jest umieszczona blisko jednego końca kryształu, laser emituje pojedynczą wiązkę 908 nm o maksymalnej mocy wyjściowej 3,22 W i sprawności nachylenia około 21 procent, co oznacza, że znaczna część pochłoniętej mocy pompu przekształcana jest w światło laserowe. W miarę przesuwania talii głębiej w krysztale progi dla obu linii się przecinają i urządzenie emituje dwie ortogonalnie spolaryzowane wiązki o 903 i 908 nm jednocześnie, o łącznej mocy 2,25 W. Przesunięcie talii dalej ponownie przechyli bilans wzmocnienia, pozostawiając tylko wiązkę 903 nm, która osiąga 2,27 W. Przez cały czas wiązki wyjściowe zachowują wysoką jakość optyczną i stosunkowo stabilną moc w czasie.

Prosta kontrola dla przyszłych narzędzi laserowych

Głównym przesłaniem pracy jest to, że doprecyzowanie miejsca ogniskowania światła pompującego wewnątrz kryształu może pełnić rolę potężnego pokrętła do kontroli koloru lasera, bez znacznej utraty sprawności czy dodawania skomplikowanych komponentów. Dla użytkowników oznacza to jedno kompaktowe urządzenie, które można skonfigurować do pracy na wysoką moc w pojedynczej barwie albo do emisji dwu‑barwnej po prostu przez regulację optyki ogniskującej. Ponieważ podejście opiera się na ogólnych efektach termicznych i geometrycznych, a nie na unikatowej właściwości wyłącznie Nd:YLF, można je rozszerzyć na inne kryształy domieszkowane rzadkimi ziemiami, budując rodzinę elastycznych, przełączalnych długościowo laserów ciała stałego do obrazowania, spektroskopii i zaawansowanych schematów konwersji światła.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: lasery możliwe do przełączania długości fali, Nd:YLF, emisja dwu‑falowa, projektowanie laserów ciała stałego, ogniskowanie wiązki pompującej