イオン液体を使用してレーザーの色を簡単に変更する新しい戦略

2023 年 1 月 19 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

信頼できる情報源

校正する

ブルックヘブン国立研究所による

レーザーは強力な色光のビームです。 色やその他の特性に応じて、食料品をスキャンしたり、金属を切断したり、腫瘍を根絶したり、さらには核融合を引き起こしたりすることもできます。 ただし、すべてのレーザー カラーが特定のジョブに適切な特性を備えているわけではありません。

これを解決するために、科学者たちは、ある色のレーザー光を別の色のレーザー光に変換するさまざまな方法を発見しました。 ジャーナル Physical Review Applied に掲載されたばかりの研究で、米国エネルギー省 (DOE) のブルックヘブン国立研究所の科学者たちは、シンプルで効率的で高度にカスタマイズ可能な新しいカラーシフト戦略を実証しています。

新しい方法は、レーザーと「イオン液体」と呼ばれる材料の化学結合における振動エネルギーとの間の相互作用に依存しています。 これらの液体は、通常の食卓塩と同様に、プラスとマイナスに帯電したイオンのみで構成されていますが、室温では粘性のある流体のように流れます。 特定のイオン液体で満たされたチューブを通してレーザーを照射するだけで、レーザー ビームの他の重要な特性を維持しながら、レーザーのエネルギーをシフトダウンして色を変えることができます。

「特定の振動周波数を持つ特定のイオンを追加することで、その振動周波数だけレーザー光をシフトさせる液体を設計できる」と、イオン液体の専門家で論文の共著者であるブルックヘブン研究所の化学者ジェームス・ウィシャート氏は述べた。 「そして、別の色が必要な場合は、あるイオンを交換して、異なる振動周波数を持つ別のイオンを入れることができます。必要に応じて、構成するイオンを混合して適合させ、レーザーの色をさまざまな度合いでシフトさせることができます。」

この論文では、皮膚や目の症状の治療などの医療用途で長年求められてきた、緑色のレーザー光からオレンジ色への移行など、他の方法では実現が困難だった色の変化をこの方法を使って達成する方法について説明しています。

このアイデアは、ブルックヘブン研究所の加速器試験施設 (ATF) にある独自の高出力二酸化炭素 (CO2) レーザーの能力を高めるプロジェクトから生まれました。 科学者は、DOE 科学局のユーザー施設である ATF を使用して、レーザー励起粒子加速器からコンパクトで明るい X 線源に至るまでの革新的なコンセプトを研究しています。

「ATFのCO2レーザーは世界で唯一の超短パルス、長波長レーザーです。そこでは他ではできない実験ができます」と、研究共著者で元ポスドク研究員のロテム・クプファー氏は語った。 ATFで。 「このレーザーのポンピング方法を、一般的に使用されている放電から光励起に置き換えることで、ビームの品質と繰り返し率が向上し、さらに優れた実験が可能になるはずです。」

光ポンピングに適切な波長 (別名色) を持つレーザーを作成するために、科学者たちは既存のレーザーの波長をシフトしようとしました。 彼らは、固体、液体、または気体の分子の振動周波数を利用する誘導ラマン散乱という一般的なアプローチを選択しました。

「基本的に、レーザーは分子の振動、つまり材料を構成する化学結合を押しつぶしたり伸ばしたりするエネルギーを与えます。その後、出てくるフォトン（光の粒子）は、元のエネルギーからそれらの振動のエネルギーを引いたものになります」とクプファー氏は言う。言った。 低エネルギーの光子はより長い波長、つまり異なる色を持ちます。

気体の場合、扱うのは単一分子であるため、プロセスは非常に単純です。 しかし、これらの分子の振動周波数は限られているため、シフトの種類も制限されます。 また、気体分子が拡散するということは、散乱効率が低いことを意味します。 分子がより密に詰まった固体は効率を向上させる可能性があります。 しかし、より複雑な振動周波数により、望ましい特性を備えた材料を成長させるレシピが複雑になるため、これらの材料の製造にはコストがかかります。

「液体はその中間に位置します」とウィシャート氏は言う。 「依然として単一分子を扱っていますが、密度が高く、気体よりも効率が高いことを意味します。また、イオン液体を使用すると、必要な周波数を与えるように分子を操作できます。」

また、光学的に透明なイオン液体は、光のバックグラウンド吸収を避けるのが容易であり、その粘度が高いため、水のような低粘度の液体でのカラーシフト効果と競合して色変化効果を弱める音波によるレーザー散乱を回避します。

科学者たちは、CO2 レーザーの励起に最適なイオン液体の選択に取り組んでいたとき、イオン液体を使用したカラーシフトのアプローチがさらに幅広い魅力があることに気づきました。 論文では、とらえどころのない緑からオレンジへの変化など、追加の色の変化におけるその使用について説明しています。

「ラマンシフトを行うには難しい方法がたくさんあります。しかし、この方法では、適切に選択したイオン液体をチューブに満たし、一方の端からレーザーを照射するだけで、微調整を行わずに希望の色を得ることができました。 」とウィシャート氏は語った。

「このようなカラーシフトを実現する他の方法では、複雑な光学設定や、溶媒に溶解した染料などの有毒物質の使用が必要です」とクッパー氏は述べた。 「さらに、これらの他のプロセスは分子を『破壊』します。分子は磨耗して交換する必要があります。私たちの場合、それはバランスシートです。分子は無傷のままです。」

ウィシャート氏も「分子を揺るがすが、破壊はしない」と同意した。

科学者らは、プロセスを最適化できるさまざまな改善点があるが、全体としては、オーダーメイドのイオン液体が、多くの産業および技術目的で効率的かつシンプルで調整不要のレーザーカラーシフトのためのプラットフォームであると述べている。

詳しくは： Rotem Kupfer 他、イオン液体におけるラマン波長変換、Physical Review Applied (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.014052

ブルックヘブン国立研究所提供