Les lasers sont des faisceaux intenses de lumière colorée. En fonction de leur couleur et d’autres propriétés, ils peuvent scanner vos courses, couper du métal, éradiquer des tumeurs et même déclencher une fusion nucléaire. Mais toutes les couleurs laser ne sont pas disponibles avec les bonnes propriétés pour un travail spécifique.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont trouvé diverses façons de convertir une couleur de lumière laser en une autre. Dans une étude qui vient d’être publiée dans la revue Examen physique appliquédes scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) démontrent une nouvelle stratégie de changement de couleur simple, efficace et hautement personnalisable.
La nouvelle méthode repose sur les interactions entre le laser et l’énergie vibratoire dans les liaisons chimiques des matériaux appelés «liquides ioniques». Ces liquides sont constitués uniquement d’ions chargés positivement et négativement, comme le sel de table ordinaire, mais ils coulent comme des fluides visqueux à température ambiante. Le simple fait de faire briller un laser à travers un tube rempli d’un liquide ionique particulier peut réduire l’énergie du laser et changer sa couleur tout en conservant d’autres propriétés importantes du faisceau laser.
« En ajoutant un certain ion qui a une fréquence de vibration particulière, nous pouvons concevoir un liquide qui déplace la lumière laser de cette fréquence de vibration », a déclaré James Wishart, chimiste du Brookhaven Lab, expert des liquides ioniques et co-auteur de l’article. « Et si nous voulons une couleur différente, nous pouvons éteindre un ion et en mettre un autre qui a une fréquence de vibration différente. Les ions composants peuvent être mélangés et assortis pour décaler les couleurs du laser de différents degrés selon les besoins. »
L’article décrit l’utilisation de la méthode pour obtenir des changements de couleur qui ont été difficiles à produire à l’aide d’autres méthodes, y compris le passage de la lumière laser verte à l’orange, longtemps recherchée pour des applications médicales telles que le traitement des affections cutanées et oculaires.
Donner de bonnes vibrations aux lasers
L’idée est née d’un projet visant à renforcer les capacités d’un laser unique à haute puissance au dioxyde de carbone (CO2) à l’Accelerator Test Facility (ATF) de Brookhaven Lab. Les scientifiques utilisent l’ATF, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour explorer des concepts innovants allant des accélérateurs de particules alimentés par laser aux sources de rayons X compactes et lumineuses.
« Le laser CO2 d’ATF est le seul laser à impulsions ultra-courtes et à longue longueur d’onde au monde ; il y a des expériences que vous pouvez faire là-bas et que vous ne pouvez faire nulle part ailleurs », a déclaré le co-auteur de l’étude, Rotem Kupfer, ancien boursier postdoctoral. à ATF. « Le remplacement de la méthode de pompage de ce laser d’une décharge électrique couramment utilisée à une excitation optique devrait améliorer la qualité du faisceau et le taux de répétition pour permettre des expériences encore meilleures. »
Pour créer un laser avec la longueur d’onde appropriée (c’est-à-dire la couleur) pour le pompage optique, les scientifiques ont cherché à décaler la longueur d’onde d’un laser existant. Ils ont choisi l’approche générale de la diffusion Raman stimulée, qui exploite les fréquences vibrationnelles des molécules dans un solide, un liquide ou un gaz.
Cette vidéo montre la lumière laser verte convertie en orange. Le scintillement est un artefact de la vitesse d’obturation de l’appareil photo et le flash laser n’est pas synchronisé. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
« Fondamentalement, le laser dépose de l’énergie dans les vibrations moléculaires – l’écrasement et l’étirement des liaisons chimiques qui composent le matériau. Ensuite, les photons (particules de lumière) qui sortent ont l’énergie d’origine moins l’énergie de ces vibrations, » Kupfer m’a dit. Les photons de plus faible énergie ont une longueur d’onde plus longue, ou en d’autres termes, une couleur différente.
Dans les gaz, le processus est assez simple car il s’agit de molécules uniques. Mais ces molécules ont des fréquences vibratoires limitées, ce qui limite les types de décalages. Et les molécules gazeuses diffuses signifient que l’efficacité de diffusion est faible. Les solides, avec des molécules plus compactes, pourraient améliorer l’efficacité. Mais leurs fréquences vibratoires plus complexes compliquent la recette pour faire pousser de tels matériaux avec les propriétés souhaitées, de sorte que la fabrication de ces matériaux est coûteuse.
« Les liquides sont quelque part entre les deux », a déclaré Wishart. « Vous avez toujours affaire à des molécules uniques, mais plus denses, ce qui signifie une efficacité supérieure à celle des gaz. Et avec des liquides ioniques, vous pouvez concevoir les molécules pour vous donner la fréquence dont vous avez besoin. »
Les liquides ioniques optiquement transparents permettent également d’éviter facilement l’absorption de fond de la lumière, et leur viscosité plus élevée évite la diffusion laser des ondes acoustiques, qui concurrence et diminue l’effet de changement de couleur dans les liquides à faible viscosité comme l’eau.
Alors que les scientifiques travaillaient sur le choix d’un liquide ionique idéal pour pomper le laser CO2, ils ont réalisé que l’approche de changement de couleur utilisant des liquides ioniques avait un attrait encore plus large. Dans l’article, ils décrivent son utilisation dans des changements de couleur supplémentaires, y compris le passage insaisissable du vert à l’orange.
« Il y a beaucoup de façons difficiles de faire le décalage Raman. Mais pour celui-ci, nous avons juste rempli un tube avec un liquide ionique correctement sélectionné, tiré un laser à partir d’une extrémité et nous avons obtenu la couleur que nous voulions, sans aucun réglage fin. « , a déclaré Wishart.
« D’autres méthodes pour obtenir un tel changement de couleur nécessitent des configurations optiques complexes ou l’utilisation de matériaux toxiques tels que des colorants dissous dans des solvants », a déclaré Kupfer. « De plus, ces autres processus « cassent » les molécules; elles s’usent et doivent être remplacées. Dans notre cas, c’est un bilan. Les molécules restent indemnes. »
Wishart a convenu: « Cela secoue les molécules mais ne les casse pas. »
Les scientifiques affirment qu’il existe une gamme d’améliorations qui pourraient optimiser le processus, mais que dans l’ensemble, les liquides ioniques fabriqués sur commande constituent une plate-forme pour un changement de couleur laser efficace, simple et sans réglage à de nombreuses fins industrielles et technologiques.
Plus d’information:
Rotem Kupfer et al, Conversion de longueur d’onde Raman dans les liquides ioniques, Examen physique appliqué (2023). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.19.014052