新策略使用离子液体轻松改变激光颜色

激光是强烈的彩色光束。根据它们的颜色和其他特性，它们可以扫描您的杂货、切割金属、根除肿瘤，甚至引发核聚变。但并非每种激光颜色都具有适合特定作业的正确属性。

为了解决这个问题，科学家们找到了多种方法将一种颜色的激光转换为另一种颜色。在刚刚发表在PhysicalReviewApplied期刊上的一项研究中，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家展示了一种简单、高效且高度可定制的新变色策略。

新方法依赖于激光与被称为“离子液体”的材料的化学键中的振动能之间的相互作用。这些液体仅由带正电和带负电的离子组成，就像普通食盐一样，但它们在室温下像粘性流体一样流动。简单地通过装有特定离子液体的管子照射激光，可以降低激光的能量并改变其颜色，同时保留激光束的其他重要特性。

“通过添加具有特定振动频率的特定离子，我们可以设计出一种液体，使激光按该振动频率移动，”Brookhaven实验室化学家JamesWishart说，他是离子液体专家，也是该论文的合著者。“如果我们想要不同的颜色，那么我们可以关掉一个离子，然后放入另一个具有不同振动频率的离子。可以根据需要混合和匹配成分离子，以不同程度地改变激光颜色。”

该论文描述了使用该方法实现使用其他方法难以产生的颜色变化，包括从绿色激光到橙色的转变——这是治疗皮肤和眼睛疾病等医疗应用的长期追求。

给激光带来良好的共鸣

这个想法源于一个项目，该项目旨在提高布鲁克海文实验室加速器测试设施(ATF)中独特的高功率二氧化碳(CO2)激光器的能力。科学家们使用美国能源部科学办公室用户设施ATF来探索创新概念，从激光能量粒子加速器到紧凑明亮的X射线源。

“ATF的CO2激光器是世界上唯一的超短脉冲、长波长激光器;您可以在那里进行一些其他任何地方无法进行的实验，”该研究的合著者、前博士后RotemKupfer说。ATF研究员。“将这种激光器从常用的放电泵浦方法替换为光激发，应该可以提高光束质量和重复率，从而实现更好的实验。”

为了制造具有适合光泵浦波长(又名颜色)的激光器，科学家们试图改变现有激光器的波长。他们选择了受激拉曼散射的一般方法，该方法利用固体、液体或气体中分子的振动频率。

“基本上，激光将能量沉积到分子振动中——构成材料的化学键的挤压和拉伸。然后出来的光子(光粒子)具有原始能量减去那些振动的能量，”Kupfer说。较低能量的光子具有较长的波长，或者换句话说，具有不同的颜色。

在气体中，这个过程相当简单，因为你处理的是单个分子。但是这些分子的振动频率有限，这限制了位移的类型。扩散的气体分子意味着散射效率低。具有更紧密分子堆积的固体可以提高效率。但它们更复杂的振动频率使生长具有所需特性的此类材料的配方变得复杂，因此制造这些材料的成本很高。

“液体介于两者之间，”Wishart说。“你仍然在处理单个分子，但密度更大，这意味着比气体效率更高。而对于离子液体，你可以设计分子以获得你需要的频率。”

光学透明的离子液体也可以很容易地避免光的背景吸收，并且它们的较高粘度避免了声波的激光散射，这与水等低粘度液体竞争并削弱了变色效应。

当科学家们致力于选择一种理想的离子液体来泵浦CO2激光器时，他们意识到使用离子液体的色移方法具有更广泛的吸引力。在论文中，他们描述了它在其他颜色变化中的用途，包括难以捉摸的绿色到橙色的转变。

“有很多很难进行拉曼转移的方法。但是，对于此，我们只是用正确选择的离子液体填充了管子，从一端向激光射击，我们得到了想要的颜色，没有任何微调调音”威沙特说。

“实现这种颜色偏移的其他方法需要复杂的光学设置或使用有毒材料，例如溶解在溶剂中的染料，”Kupfer说。“另外，那些其他过程会‘破坏’分子;它们会磨损，必须更换。在我们的例子中，它是一个资产负债表。分子没有受到伤害。”

Wishart同意：“它震动了分子，但不会破坏它们。”

科学家们说，有一系列的改进可以优化这个过程，但总的来说，定制的离子液体是一个平台，可以为许多工业和技术目的提供高效、简单和免调整的激光色移。