新策略使用离子液体轻松改变激光颜色

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通过装满特定离子液体的管子（照片右侧）发射绿色激光可以轻松地将绿色激光转换为橙色（左上角），这是医疗应用长期寻求的颜色。通过选择不同的离子液体，该方法可以针对不同的色偏进行定制。资料来源：布鲁克海文国家实验室

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，甚至触发核聚变。但并非每种激光颜色都具有适合特定作业的属性。

为了解决这个问题，科学家们发现了多种方法将一种颜色的激光转换为另一种颜色的激光。在刚刚发表在《物理评论应用》杂志上的一项研究中，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新的颜色转换策略，该策略简单，高效且高度可定制。

新方法依赖于激光和称为“离子液体”的材料化学键中的振动能量之间的相互作用。这些液体仅由带正电荷和负电荷的离子组成，就像普通食盐一样，但它们在室温下像粘性流体一样流动。简单地将激光照射到充满特定离子液体的管子中，就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某种离子，我们可以设计一种液体，通过该振动频率移动激光，”布鲁克海文实验室化学家James Wishart说，他是离子液体专家，也是该论文的共同作者。“如果我们想要不同的颜色，那么我们可以切换一个离子，放入另一个具有不同振动频率的离子。组分离子可以混合和匹配，以根据需要将激光颜色改变不同程度。

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 - 长期寻求用于治疗皮肤和眼睛疾病的医疗应用。

Giving lasers good vibes

这个想法源于布鲁克海文实验室加速器测试设施（ATF）的一个项目，该项目旨在提高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的用户设施ATF来探索从激光激发粒子加速器到紧凑明亮的X射线源的创新概念。

“ATF的CO2激光器是世界上唯一的超短脉冲长波长激光器;你可以在那里做一些实验，你不能在其他任何地方做，“该研究的共同作者Rotem Kupfer说，他是ATF的前博士后研究员。“将这种激光器从常用的放电泵浦到光学激发的方法应该可以提高光束质量和重复率，以便进行更好的实验。

为了制造具有适当波长（又名颜色）的激光器用于光泵浦，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。 该视频显示绿色激光被转换为橙色。闪烁是相机快门速度和激光闪光不同步的伪影。学分：布鲁克海文国家实验室

“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）具有原始能量减去这些振动的能量，“库普费尔说。低能量光子具有更长的波长，或者换句话说，具有不同的颜色。

在气体中，该过程相当简单，因为您正在处理单个分子。但是这些分子的振动频率有限，这限制了位移的类型。而弥漫气态分子意味着散射效率低。具有更紧密分子的固体可以提高效率。但是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复杂化，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。对于离子液体，你可以设计分子，给你所需的频率。

光学透明的离子液体也很容易避免背景光吸收，其较高的粘度避免了声波的激光散射，从而与水等低粘度液体中的变色效应竞争并减弱了变色效应。

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偏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使用，包括难以捉摸的绿色到橙色的转变。

“有很多困难的方法可以进行拉曼变换。但是对于这个，我们只是用正确选择的离子液体填充管子，从一端射入激光，我们得到了我们想要的颜色 - 没有任何微调，“Wishart说。

“实现这种颜色变化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'破坏'了分子;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。分子毫发无伤。

Wishart对此表示赞同：“它撼动了分子，但不会破坏它们。

科学家们表示，有一系列改进可以优化该过程，但总体而言，定制离子液体是用于众多工业和技术目的的高效，简单和无调整的激光颜色转换的平台。

原标题：《新策略使用离子液体轻松改变激光颜色》

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