Laser sind intensive Strahlen aus farbigem Licht. Abhängig von ihrer Farbe und anderen Eigenschaften können sie Ihre Lebensmittel scannen, Metall durchschneiden, Tumore ausrotten und sogar Kernfusionen auslösen. Aber nicht jede Laserfarbe ist mit den richtigen Eigenschaften für eine bestimmte Aufgabe erhältlich.
Um dies zu beheben, haben Wissenschaftler eine Vielzahl von Möglichkeiten gefunden, eine Farbe des Laserlichts in eine andere umzuwandeln. In einer Studie, die gerade in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung angewendetdemonstrieren Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine neue Farbverschiebungsstrategie, die einfach, effizient und hochgradig anpassbar ist.
Die neue Methode beruht auf Wechselwirkungen zwischen dem Laser und der Schwingungsenergie in den chemischen Bindungen von Materialien, die als „ionische Flüssigkeiten“ bezeichnet werden. Diese Flüssigkeiten bestehen nur aus positiv und negativ geladenen Ionen, wie gewöhnliches Speisesalz, aber sie fließen wie viskose Flüssigkeiten bei Raumtemperatur. Einfach einen Laser durch eine mit einer bestimmten ionischen Flüssigkeit gefüllte Röhre zu strahlen, kann die Energie des Lasers herunterschalten und seine Farbe ändern, während andere wichtige Eigenschaften des Laserstrahls erhalten bleiben.
„Indem wir ein bestimmtes Ion mit einer bestimmten Schwingungsfrequenz hinzufügen, können wir eine Flüssigkeit entwerfen, die das Laserlicht um diese Schwingungsfrequenz verschiebt“, sagte der Chemiker James Wishart vom Brookhaven Lab, ein Experte für ionische Flüssigkeiten und Mitautor des Papiers. „Und wenn wir eine andere Farbe wollen, können wir ein Ion austauschen und ein anderes mit einer anderen Schwingungsfrequenz einsetzen. Die Komponentenionen können gemischt und angepasst werden, um die Laserfarben je nach Bedarf um unterschiedliche Grade zu verschieben.“
Das Papier beschreibt die Verwendung des Verfahrens zur Erzielung von Farbänderungen, die mit anderen Methoden schwierig zu erzeugen waren, einschließlich einer Verschiebung von grünem Laserlicht zu Orange – lange gesucht für medizinische Anwendungen wie die Behandlung von Haut- und Augenerkrankungen.
Lasern gute Schwingungen verleihen
Die Idee entstand aus einem Projekt zur Steigerung der Fähigkeiten eines einzigartigen Hochleistungs-CO2-Lasers in der Accelerator Test Facility (ATF) des Brookhaven Lab. Wissenschaftler nutzen das ATF, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, um innovative Konzepte zu erforschen, die von laserbetriebenen Teilchenbeschleunigern bis hin zu kompakten und hellen Röntgenquellen reichen.
„Der CO2-Laser von ATF ist der einzige Ultrakurzpuls-Langwellenlaser der Welt; es gibt Experimente, die man dort machen kann, die man sonst nirgendwo machen kann“, sagte Co-Autor der Studie, Rotem Kupfer, ein ehemaliger Postdoktorand bei ATF. „Das Ersetzen der Methode des Pumpens dieses Lasers von der üblicherweise verwendeten elektrischen Entladung zur optischen Anregung sollte die Strahlqualität und die Wiederholrate verbessern, um noch bessere Experimente zu ermöglichen.“
Um einen Laser mit der geeigneten Wellenlänge (auch bekannt als Farbe) für das optische Pumpen zu schaffen, versuchten die Wissenschaftler, die Wellenlänge eines vorhandenen Lasers zu verschieben. Sie wählten den allgemeinen Ansatz der stimulierten Raman-Streuung, die die Schwingungsfrequenzen von Molekülen in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas nutzt.
Dieses Video zeigt die Umwandlung von grünem Laserlicht in Orange. Das Flackern ist ein Artefakt der Verschlusszeit der Kamera und des Laserblitzens, die nicht synchron sind. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory
„Im Grunde gibt der Laser Energie in die molekularen Schwingungen ab – das Quetschen und Dehnen der chemischen Bindungen, aus denen das Material besteht. Dann haben die Photonen (Lichtteilchen), die herauskommen, die ursprüngliche Energie abzüglich der Energie dieser Schwingungen“, Kupfer sagte. Die energieärmeren Photonen haben eine längere Wellenlänge oder mit anderen Worten eine andere Farbe.
Bei Gasen ist der Prozess ziemlich einfach, da es sich um einzelne Moleküle handelt. Aber diese Moleküle haben begrenzte Schwingungsfrequenzen, was die Arten von Verschiebungen einschränkt. Und diffuse gasförmige Moleküle bedeuten eine geringe Streueffizienz. Feststoffe mit dichter gepackten Molekülen könnten die Effizienz verbessern. Aber ihre komplexeren Schwingungsfrequenzen verkomplizieren das Rezept zum Züchten solcher Materialien mit den gewünschten Eigenschaften, sodass die Herstellung dieser Materialien kostspielig ist.
„Flüssigkeiten liegen irgendwo dazwischen“, sagte Wishart. „Sie haben es immer noch mit einzelnen Molekülen zu tun, aber dichter, was eine höhere Effizienz als Gase bedeutet. Und mit ionischen Flüssigkeiten können Sie die Moleküle so manipulieren, dass Sie die Frequenz erhalten, die Sie benötigen.“
Optisch transparente ionische Flüssigkeiten machen es auch einfach, die Hintergrundabsorption von Licht zu vermeiden, und ihre höhere Viskosität vermeidet die Laserstreuung von akustischen Wellen, die mit dem Farbverschiebungseffekt in Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität wie Wasser konkurriert und diesen verringert.
Als die Wissenschaftler an der Auswahl einer idealen ionischen Flüssigkeit zum Pumpen des CO2-Lasers arbeiteten, stellten sie fest, dass der Farbverschiebungsansatz mit ionischen Flüssigkeiten noch breitere Anziehungskraft hatte. In dem Artikel beschreiben sie seine Verwendung in zusätzlichen Farbänderungen, einschließlich der schwer fassbaren Grün-zu-Orange-Verschiebung.
„Es gibt viele schwierige Wege, Raman-Verschiebungen durchzuführen. Aber für diesen haben wir einfach ein Röhrchen mit einer richtig ausgewählten ionischen Flüssigkeit gefüllt, einen Laser von einem Ende hineingeschossen und wir haben die gewünschte Farbe erhalten – ohne Feinabstimmung “, sagte Wishart.
„Andere Methoden, um eine solche Farbverschiebung zu erreichen, erfordern komplexe optische Aufbauten oder die Verwendung von toxischen Materialien wie Farbstoffen, die in Lösungsmitteln gelöst sind“, sagte Kupfer. „Außerdem ‚brechen‘ diese anderen Prozesse die Moleküle, sie verschleißen und müssen ersetzt werden. In unserem Fall ist es eine Bilanz. Die Moleküle bleiben unversehrt.“
Wishart stimmte zu: „Es schüttelt die Moleküle auf, bricht sie aber nicht.“
Die Wissenschaftler sagen, dass es eine Reihe von Verbesserungen gibt, die den Prozess optimieren könnten, aber insgesamt sind kundenspezifische ionische Flüssigkeiten eine Plattform für eine effiziente, einfache und anpassungsfreie Laserfarbverschiebung für zahlreiche industrielle und technologische Zwecke.
Mehr Informationen:
Rotem Kupfer et al, Raman Wavelength Conversion in Ionic Liquids, Körperliche Überprüfung angewendet (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.014052