Переключение излучения на одну и две длины волны в квазитрехуровневом лазере Nd:YLF путем регулировки положения пучка накачки

Лазеры, меняющие цвет по требованию

Лазеры питают повседневные технологии — от сканеров штрих‑кодов до медицинских визуализационных приборов. Но большинство лазеров «заперты» на одном цвете света, что ограничивает их универсальность. В этой работе показан новый и удивительно простой способ заставить твердотельный лазер переключаться между одним и двумя цветами инфракрасного излучения — лишь за счет смещения точки фокусировки накачивающего света внутри кристалла. Такой контроль может привести к более компактным и эффективным источникам для генерации синего света, прецизионной медицины и продвинутых сенсорных систем.

Почему важны цвет и мощность лазера

Многие современные приложения требуют лазерного света с определенной длиной волны и высокой, стабильной мощностью. В ближнем инфракрасном диапазоне около 900 нанометров такие лазеры можно преобразовать в яркие синие лучи для дисплеев и микрофабрикации или использовать напрямую для медицинской диагностики и биологической съёмки. Традиционно, чтобы заставить лазер работать на менее жёстко заданной длине волны или на двух длинах одновременно, в резонатор вставляют специальные оптические элементы. Эти детали добавляют потери и усложняют систему, снижая полезную мощность. Авторы же используют внутренние свойства кристалла, чтобы одно и то же устройство могло выдавать либо одноцветный, либо двухцветный выход без дополнительных компонентов.

Особый кристалл и тонкий трюк с накачкой

Команда работает с кристаллом Nd:YLF — известным материалом для твердотельных лазеров. При возбуждении диодным лазером на 880 нанометров этот кристалл может излучать на две близкие инфракрасные линии около 903 и 908 нанометров, каждая с собственной поляризацией (направлением электрического поля света). Внутри кристалла тепло от накачки и естественная анизотропия материала тонко изменяют траектории лазерных мод, отдавая предпочтение той или иной линии. Вместо того чтобы вставлять фильтры или дополнительные зеркала для отбора длины волны, исследователи просто перемещают наиболее узкую точку (waist) накачивающего пучка вдоль длины кристалла. Это небольшое изменение меняет перекрытие накачки с возможными лазерными модами и величины потерь для каждой линии.

От теории к настраиваемому выходу

Чтобы понять и контролировать эффект, авторы моделируют, как накачивающий и лазерные пучки перекрываются внутри кристалла, включая влияние нагрева на внутреннюю фокусировку. Они рассчитывают ключевые величины, такие как пороговая мощность накачки — минимальная мощность, необходимая каждой линии для начала генерации — как функцию положения waist. Симуляции предсказывают, что в одной позиции кристалла линия 908 нм имеет наименьший порог, в другой выигрывает линия 903 нм, а между ними есть «сладкая точка», где обе линии достигают порога одновременно, обеспечивая двухцветную работу. Эти предсказания направляют эксперимент, в котором линзы фокусируют накачку в стержень Nd:YLF длиной 20 миллиметров, установленный на теплоуправляемом медном держателе.

Переключение между одним и двумя цветами

Измерения подтверждают теоретическую картину. Когда waist накачки расположен у одного конца кристалла, лазер излучает однотонную линию на 908 нм с максимальной выходной мощностью 3,22 Вт и крутизной отклика (slope efficiency) примерно 21 %, что означает существенную долю преобразования поглощённой накачки в лазерное излучение. По мере перемещения waist глубже в кристалл пороги двух линий пересекаются, и устройство одновременно излучает две ортогонально поляризованные линии на 903 и 908 нм с суммарной мощностью 2,25 Вт. Дальнейшее смещение waist вновь меняет соотношение усиления в пользу 903 нм, которая достигает 2,27 Вт. На всём протяжении выходные пучки сохраняют высокое оптическое качество и разумную стабильность мощности во времени.

Простое управление для будущих лазерных приборов

Главный вывод работы заключается в том, что тонкая настройка положения фокуса накачивающего света внутри кристалла может служить мощным регулятором длины волны лазера, не жертвуя значительной эффективностью и не добавляя сложных компонентов. Для пользователей это означает одно компактное устройство, которое можно настроить на высокомощную одноцветную работу или на двухцветный режим простым изменением оптики фокусировки. Поскольку подход опирается на общие тепловые и геометрические эффекты, а не на уникальное свойство только Nd:YLF, его можно распространить на другие кристаллы, легированные редкоземельными ионами, чтобы создать семейство гибких твердотельных лазеров с переключаемой длиной волны для визуализации, спектроскопии и продвинутых схем преобразования света.

Цитирование: 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

Ключевые слова: лазеры с переключаемой длиной волны, Nd:YLF, двухдлинноволновое излучение, конструкция твердотельного лазера, фокусировка накачивающего пучка