通过调整泵浦光束腰部位置在准三能级Nd:YLF激光器中切换单波长与双波长发射

按需改变颜色的激光器

激光器为条码扫描仪到医学成像等日常技术提供动力。但大多数激光器仅限于单一光色，这限制了它们的应用灵活性。这项研究展示了一种新颖且出人意料的简单方法，通过移动进入晶体的泵浦光聚焦位置，使固体激光器在单一与双重红外波长之间切换。这样的控制可转化为更紧凑、更高效的蓝光产生、精密医疗和先进传感的光源。

为什么激光的颜色与功率重要

许多现代应用需要特定波长且功率高且稳定的激光光源。在约900纳米的近红外范围内的激光可以被转换为用于显示和微加工的明亮蓝光束，或直接用于医学诊断和生物成像。传统上，要让激光在较弱的波长工作或同时在两种波长下运行，通常需要在激光腔内加入专门的光学元件。这些部件会增加损耗和复杂性，降低可用功率。作者则利用晶体自身的内部特性，使同一装置无需额外元件即可输出单色或双色光。

一种特殊晶体与巧妙的泵浦技巧

该团队使用一种称为Nd:YLF的晶体，这是一种知名的固体激光材料。被880纳米的二极管激光激发时，这种晶体可在大约903和908纳米的两个非常接近的红外波长发射光，各自具有不同的极化方向。在晶体内部，来自泵浦光的热量和材料固有的各向异性会微妙地重塑激光束路径，从而偏好一种波长而非另一种。研究者没有加入滤光片或镜子来选择波长，而是简单地沿晶体长度移动泵浦光束的最窄点（腰部）。这一小幅调整改变了泵浦与可能激光模的重叠程度以及每个波长所经历的损耗。

从理论到可调输出

为了理解并控制这一效应，作者对泵浦光束与激光束在晶体内的重叠进行了建模，包括加热如何改变内部聚焦。他们计算了关键量，例如阈值泵浦功率——每个波长开始激光振荡所需的最小功率——作为泵浦腰部位置的函数。模拟预测在晶体某一位置908纳米线的阈值最低，在另一位置903纳米线占优，而在两者之间存在一个甜点区域，两者同时达到阈值，从而允许双波长工作。这些预测指导了实验：在温控铜座上安装一根20毫米长的Nd:YLF棒，通过透镜将泵浦光聚焦入其中。

在单色与双色之间切换

测量结果证实了理论图景。当泵浦光束腰部置于晶体近一端时，激光发出单一的908纳米光束，最大输出功率为3.22瓦，斜率效率约为21%，说明被吸收的泵浦功率中有相当一部分被转换为激光光。随着腰部向晶体内部移动，两种波长的阈值交叉，器件同时发出903和908纳米的正交极化双束，合计功率为2.25瓦。继续将腰部移远又会改变增益平衡，仅留下903纳米光束，其输出达2.27瓦。在整个过程中，输出光束保持高光学质量且功率随时间相对稳定。

面向未来激光器的简单控制

这项工作的主要结论是，微调泵浦光在晶体内的聚焦位置可以作为一个强有力的调节旋钮来控制激光波长，而无需牺牲太多效率或增加复杂组件。对用户而言，这意味着通过调整聚焦光学器件，就可以将单一紧凑设备配置为高功率单色输出或双波长输出。由于该方法依赖于普遍的热与几何效应，而非Nd:YLF的独有特性，它可以扩展到其他稀土掺杂晶体，构建一系列灵活的、波长可切换的固体激光器，用于成像、光谱学和先进的光转换方案。

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

关键词: 波长可切换激光器, Nd:YLF, 双波长发射, 固体激光器设计, 泵浦光束聚焦