Växling mellan enkel- och dubbla våglängdsutsändningar i en kvasi-tre-nivå Nd:YLF-laser genom justering av pumpstrålens waist-position

Lasrar som kan byta färg på begäran

Laser används i vardagsteknik från streckkodsläsare till medicinska bildsystem. Men de flesta lasrar är bundna till en enda ljusfärg, vilket begränsar deras flexibilitet. Den här studien visar ett nytt och överraskande enkelt sätt att få en solid-state-laser att växla mellan en färg och två färger i infrarött—endast genom att förflytta var den infallande pumpstrålen fokuseras inne i kristallen. Den typen av styrning kan leda till mer kompakta, effektiva källor för blåljusgenerering, precisionsmedicin och avancerad sensorteknik.

Varför laserns färg och effekt är viktiga

Många moderna tillämpningar behöver laserljus vid specifika färger och med hög, stabil effekt. I nära infrarött kring 900 nanometer kan sådana lasrar konverteras till starka blå strålar för displayer och mikrotillverkning, eller användas direkt för medicinsk diagnostik och biologisk avbildning. Traditionellt kräver det att man får en laser att fungera vid en svagare färg, eller vid två färger samtidigt, att särskilda optiska element sätts in i laserresonatorn. Dessa delar ökar förluster och komplexitet och minskar den nyttiga effekten. Författarna utnyttjar istället kristallens egna interna egenskaper så att samma enhet kan leverera antingen enkel- eller dubbelfärgad utsignal utan extra komponenter.

En särskild kristall och ett smart pumptrick

Gruppen arbetar med en kristall kallad Nd:YLF, ett välkänt solid-state-lasermaterial. När den exciteras av en diodlaser vid 880 nanometer kan kristallen avge ljus vid två mycket närliggande infraröda färger runt 903 och 908 nanometer, vardera med olika polarisation (riktning av ljusets elektriska fält). Inne i kristallen omformar värmen från pumpljuset och materialets naturliga anisotropi subtilt laserstrålarnas banor och gynnar den ena eller andra färgen. Istället för att lägga till filter eller speglar för att välja våglängd flyttar forskarna enkelt pumpstrålens smalaste punkt (waist) längs kristallens längd. Denna lilla justering ändrar hur bra pumpen överlappar med de möjliga lasermodernas fält och hur mycket förlust varje färg utsätts för.

Från teori till ställbar utsignal

För att förstå och kontrollera effekten modellerar författarna hur pumpstrålen och laserstrålarna överlappar inne i kristallen, inklusive hur uppvärmning ändrar den interna fokuseringen. De beräknar nyckelstorheter såsom tröskelpumpeffekt—minsta effekt som krävs för att varje färg ska börja lasra—som funktion av pumpwaistens position. Simuleringarna förutspår att vid en position i kristallen har 908‑nanometerslinjen lägst tröskel, vid en annan vinner 903‑nanometerslinjen, och där emellan finns en punkt där båda når tröskel samtidigt, vilket möjliggör dubbelfärgad drift. Dessa förutsägelser styr experimentet, där linser fokuserar pumpljuset in i en 20-millimeters Nd:YLF-stång monterad på en temperaturkontrollerad kopparhållare.

Växling mellan en färg och två

Mätningarna bekräftar den teoretiska bilden. När pumpwaisten placeras nära ena änden av kristallen avger lasern en enda 908‑nanometersstråle med en maximal uteffekt på 3,22 watt och en slitteeffektivitet (slope efficiency) på cirka 21 procent, vilket betyder att en betydande del av den absorberade pumpeffekten omvandlas till laserljus. När waisten flyttas djupare in i kristallen korsar trösklarna för de två färgerna varandra, och enheten avger två ortogonalt polariserade strålar vid 903 respektive 908 nanometer samtidigt, med en sammanlagd effekt på 2,25 watt. Att flytta waisten ännu längre tippar återigen vinstbalansen, så att endast 903‑nanometersstrålen kvarstår och når 2,27 watt. Under hela processen behåller utsignalsstrålarna hög optisk kvalitet och relativt stabil effekt över tiden.

Enkelt styrhjul för framtidens laserverktyg

Huvudbudskapet i detta arbete är att finjustering av var pumpljuset fokuseras inne i en kristall kan fungera som en kraftfull kontrollratt för laserns färg, utan att offra mycket effektivitet eller lägga till komplicerade komponenter. För användare innebär det en enda kompakt enhet som kan konfigureras för högeffektiv enkelfärgad drift eller för dubbelvåglängdsutsignal enbart genom att justera fokuseringsoptiken. Eftersom tillvägagångssättet förlitar sig på generella termiska och geometriska effekter snarare än en unik egenskap hos endast Nd:YLF, kan det utvidgas till andra sällsynta jordarts-dopade kristaller för att bygga en familj av flexibla, våglängdsomkopplingsbara solid-state-lasrar för avbildning, spektroskopi och avancerade ljusomvandlingsscheman.

Citering: 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

Nyckelord: våglängd-omkopplingsbara lasrar, Nd:YLF, dubbelvåglängdsutsändning, solid-state laserkonstruktion, pumpstrålefokusering