Neue Strategie nutzt ionische Flüssigkeiten, um Laserfarben mühelos zu ändern

19. Januar 2023

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vom Brookhaven National Laboratory

Laser sind intensive farbige Lichtstrahlen. Abhängig von ihrer Farbe und anderen Eigenschaften können sie Ihre Lebensmittel scannen, Metall durchschneiden, Tumore beseitigen und sogar eine Kernfusion auslösen. Allerdings ist nicht jede Laserfarbe mit den richtigen Eigenschaften für eine bestimmte Aufgabe verfügbar.

Um das zu beheben, haben Wissenschaftler verschiedene Möglichkeiten gefunden, eine Farbe des Laserlichts in eine andere umzuwandeln. In einer soeben in der Fachzeitschrift Physical Review Applied veröffentlichten Studie demonstrieren 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 wie gewöhnliches Speisesalz nur aus positiv und negativ geladenen Ionen, fließen aber bei Raumtemperatur wie viskose Flüssigkeiten. Wenn man einfach einen Laser durch eine Röhre strahlt, die mit einer bestimmten ionischen Flüssigkeit gefüllt ist, kann dies die Energie des Lasers verringern 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 James Wishart, Chemiker am Brookhaven Lab, Experte für ionische Flüssigkeiten und Mitautor des Artikels. „Und wenn wir eine andere Farbe wünschen, 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.“

Der Artikel beschreibt die Verwendung der Methode, um Farbveränderungen zu erzielen, die mit anderen Methoden nur schwer zu erreichen waren, einschließlich einer Verschiebung von grünem Laserlicht zu Orange – ein seit langem angestrebter Wechsel für medizinische Anwendungen wie die Behandlung von Haut- und Augenerkrankungen.

Die Idee entstand aus einem Projekt zur Steigerung der Leistungsfähigkeit eines einzigartigen Hochleistungs-Kohlendioxidlasers (CO2) 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 Ultrakurzpulslaser mit langer Wellenlänge auf der Welt; man kann dort Experimente durchführen, die sonst nirgendwo möglich sind“, sagte der Co-Autor der Studie, Rotem Kupfer, ein ehemaliger Postdoktorand bei ATF. „Das Ersetzen der Pumpmethode dieses Lasers von der üblicherweise verwendeten elektrischen Entladung zur optischen Anregung sollte die Strahlqualität und die Wiederholungsrate verbessern, um noch bessere Experimente zu ermöglichen.“

Um einen Laser mit der geeigneten Wellenlänge (auch Farbe genannt) für das optische Pumpen zu entwickeln, versuchten die Wissenschaftler, die Wellenlänge eines vorhandenen Lasers zu verschieben. Sie wählten den allgemeinen Ansatz der stimulierten Raman-Streuung, der die Schwingungsfrequenzen von Molekülen in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas nutzt.

„Im Grunde legt der Laser Energie in die molekularen Schwingungen ein – das Quetschen und Dehnen der chemischen Bindungen, aus denen das Material besteht. Dann haben die austretenden Photonen (Lichtteilchen) die ursprüngliche Energie abzüglich der Energie dieser Schwingungen“, so Kupfer sagte. Die energieärmeren Photonen haben eine längere Wellenlänge, also eine andere Farbe.

Bei Gasen ist der Prozess recht einfach, da es sich um einzelne Moleküle handelt. Aber diese Moleküle haben begrenzte Schwingungsfrequenzen, was die Art der Verschiebungen begrenzt. Und diffuse Gasmoleküle führen zu einer geringen Streueffizienz. Feststoffe mit dichter gepackten Molekülen könnten die Effizienz verbessern. Aber ihre komplexeren Schwingungsfrequenzen erschweren das Rezept zum Züchten solcher Materialien mit den gewünschten Eigenschaften, sodass die Herstellung dieser Materialien kostspielig ist.

„Flüssigkeiten liegen irgendwo dazwischen“, sagte Wishart. „Man hat es immer noch mit einzelnen Molekülen zu tun, aber dichter, was eine höhere Effizienz als Gase bedeutet. Und mit ionischen Flüssigkeiten kann man die Moleküle so konstruieren, dass sie die Frequenz erhalten, die man braucht.“

Optisch transparente ionische Flüssigkeiten ermöglichen außerdem eine einfache Vermeidung der Hintergrundabsorption von Licht, und ihre höhere Viskosität vermeidet Laserstreuung durch akustische 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, erkannten sie, dass der Farbverschiebungsansatz mithilfe ionischer Flüssigkeiten eine noch breitere Attraktivität hatte. In der Arbeit beschreiben sie die Verwendung bei zusätzlichen Farbveränderungen, einschließlich der schwer fassbaren Verschiebung von Grün nach Orange.

„Es gibt viele schwierige Möglichkeiten, die Raman-Verschiebung durchzuführen. Aber für diese haben wir einfach eine Röhre mit einer richtig ausgewählten ionischen Flüssigkeit gefüllt, einen Laser von einem Ende hineingeschossen und schon haben wir die gewünschte Farbe herausbekommen – ohne Feinabstimmung.“ „, sagte Wishart.

„Andere Methoden, um eine solche Farbverschiebung zu erreichen, erfordern komplexe optische Aufbauten oder die Verwendung giftiger Materialien wie in Lösungsmitteln gelöster Farbstoffe“, sagte Kupfer. „Außerdem „brechen“ diese anderen Prozesse die Moleküle, sie nutzen sich ab 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 dass maßgeschneiderte ionische Flüssigkeiten insgesamt eine Plattform für eine effiziente, einfache und anpassungsfreie Laserfarbverschiebung für zahlreiche industrielle und technologische Zwecke darstellen.

Mehr Informationen: Rotem Kupfer et al., Raman Wavelength Conversion in Ionic Liquids, Physical Review Applied (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.014052

Bereitgestellt vom Brookhaven National Laboratory