Laser barwnikowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Laser barwnikowy to laser wykorzystujący organiczny barwnik jako ośrodek czynny, zwykle w postaci ciekłego roztworu. W porównaniu do gazowych i większości ośrodków wykorzystujących ciało stałe, barwnik może być wykorzystywany w znacznie większym zakresie długości fal. Szerokie pasmo pozwala na użycie ich w regulowanych i pulsacyjnych laserach. Co więcej, barwnik może być zastąpiony jego innym typem w celu generacji światła innej długości przez ten sam laser, chociaż zwykle wymaga to wymiany części przyrządów optycznych w samym laserze.

Lasery barwnikowe zostały niezależnie wynalezione przez P. P. Sorokina i F. P. Schäfera (oraz współpracowników) w 1966.[1][2]

Dodatkowo, obok zazwyczaj używanych ciekłych laserów barwnikowych, wykorzystuje się lasery o barwniku w stanie stałym (SSDL). SSDL wykorzystują organiczne matryce z domieszką barwnika jako ośrodek czynny.


Budowa[edytuj | edytuj kod]

Laser barwnikowy zawiera organiczny barwnik rozpuszczony w rozpuszczalniku, który może przepływać w komórce barwnika lub być przenoszony drogą powietrzną przez dysze. Potrzebne jest źródło światła o dużej mocy w impulsie, aby w ośrodku laserującym uzyskać inwersję obsadzeń. Zwykle do tego celu wykorzystuje się szybkie rozładowanie lampy błyskowej lub zewnętrznego lasera. Zwierciadła są potrzebne do manipulacji światłem uzyskanym przez fluorescencję barwnika, które jest wzmacniane z każdym przejściem przez ośrodek czynny. Lustro końcowe odbija 80% światła, podczas gdy zazwyczaj pozostałe lustra odbija ponad 99% wiązki. Roztwór barwnika krąży w komórce z dużą prędkością, aby uniknąć absorpcji tripletów i aby zmniejszyć degradację barwnika. Pryzmat lub siatka dyfrakcyjna są zwykle montowane na ścieżce wiązki laserowej, aby umożliwić modyfikację wiązki.

Ponieważ ciekły ośrodek czynny lasera barwnikowego może przyjąć dowolny kształt, istnieje wiele różnych możliwych do zastosowania konfiguracji. Interferometr Fabry'ego-Perota, który jest zwykle stosowany w laserach pompowanych lampą błyskową, składa się z dwóch zwierciadeł, które mogą być płaskie lub wklęsłe, zamontowanych równolegle do siebie, z wiązką laserową pomiędzy nimi. Komórka barwnika jest zwykle pompowana z boku, za pomocą jednej lub kilku lamp błyskowych działających obok komórki barwnika we wnęce interferometru. Interferometr jest zazwyczaj chłodzony wodą, w celu zapobieżenia przegrzaniu barwnika spowodowanego dużym natężeniem promieniowania podczerwonego pochodzącego z lamp. Lasery pompowane osiowo posiadają pierścieniową lampę błyskową, otaczającą komórkę barwnika, która charakteryzuje się niższą indukcyjnością dla krótszych błysków oraz zwiększoną efektywnością transferu. Koncentrycznie pompowane lasery składają się z pierścieniowej komórki barwnika, która otacza lampę błyskową dla jeszcze lepszej efektywności transferu, ale charakteryzują się niższym zyskiem z powodu dyfrakcji. Lasery pompowane błyskowo mogą być używane tylko do uzyskania wiązki pulsacyjnej.[3][4][5]

Do działania ciągłego wykorzystywany jest laser pierścieniowy, chociaż również konstrukcja z interferometrem Fabry'ego-Perota jest czasem wykorzystywana. W laserze pierścieniowym lustra lasera są umieszczone tak, aby umożliwić wiązce poruszanie się po okręgu. Komórka barwnika lub kuweta jest zwykle bardzo mała. Barwnik jest zwykle pompowany zewnętrznym laserem, przykładowo laserem azotowym, laserem ekscymerowym lub laserem neodymowym z podwojoną częstotliwością. Ciecz krąży z bardzo dużą prędkością, aby zapobiec absorpcji trypletów, która przerwałaby wiązkę[6]. W przeciwieństwie do interferometrów Fabry'ego-Perota, laser pierścieniowy nie generuje fal stojących, które powodują straty energii w nieużywanych obszarach ośrodka pomiędzy grzbietami fali. Dzięki temu, laser osiąga większe wzmocnienie[7][8].

Działanie[edytuj | edytuj kod]

Barwniki wykorzystywane w laserach zawierają dość duże organicznego molekuły, które ulegają fluorescencji. Dobiegające do barwnika światło wzbudza go do stanu gotowości do emisji wymuszonej - stanu singletowego. W tym stanie, molekuły emitują światło przez fluorescencję, a barwnik jest transparentny wobec długości fali lasera. W ciągu mikrosekudny molekuły przechodzą do swojego stanu tripletowego. W tym stanie, światło emitowane jest poprzez fosforescencję, a molekuły pochłaniają falę lasera, sprawiając, że barwnik staje się nieprzezroczysty. Ciekłe barwniki posiadają bardzo wysoką energię wzbudzenia. Lasery pompowane błyskiem potrzebują błysku o bardzo krótkim czasie trwania, aby dostarczyć dużej ilości energii potrzebnej do przekroczenie energii wzbudzenia zanim absorpcja tripletów przewyższy emisję singletów. Lasery barwnikowe z zewnętrznym laserem pompującym mogą skierować wystarczająco energii o odpowiedniej długości fali do barwnika z użyciem relatywnie małych ilości energii, ale barwnik musi wirować z dużą prędkością, aby utrzymać triplety z dala od wiązki lasera[9].

Kuweta używana w laserze barwnikowym

W związku z tym, że barwniki mają tendencję do rozkładu pod wpływem światła, roztwór barwnika jest zazwyczaj pobierany z dużego zbiornika[10]. Roztwór może płynąć przez kuwetę, np. szklany pojemnik, albo być w postaci aerozolu, np. jako strumień o grubości kartki papieru w otwartym powietrzu, rozpylany ze specjalnie uformowanej dyszy. Przez użycie aerozolu, zapobiega się skażeniu kuwety i stratom w wyniku odbić od szklanego pojemnika. Te zalety okupione są bardziej skomplikowaną konstrukcją lasera.

Barwniki organiczne osiągają bardzo duże wzmocnienie jako ośrodek czynny. Wiązka w celu osiągnięcia pełnej mocy musi przebiec przez ciecz tylko kilka razy. Duże wzmocnienie niesie za sobą duże straty, ponieważ odbicia od komórki barwnika lub reflektor lampy błyskowej drastycznie zmniejszają ilość energii dostępnej dla wiązki. Wnęki pompujące są często anodowane, pokrywane lub wykonywane z materiału, który nie odbija długości fali wzmacnianej, podczas gdy odbija długość fali pompowanej.

Używane odczynniki[edytuj | edytuj kod]

Chlorek rodaminy 6G; zmieszany z metanolem; emitujący żółte światło pod wpływem zielonego lasera

Barwniki wykorzystywane w laserach to głównie rodaminy, fluoresceina, kumaryna, stylben, umbeliferon, naftacen, zieleń malachitowa i inne. Podczas gdy część z barwników jest wykorzystywana w produkcji żywności, większość barwników jest toksyczna, a nawet karcerogenna[11]. Wiele barwników, takich jak rodamina 6G w formie chlorku, powoduje korozje metali z wyjątkiem stali nierdzewnej.

Można wykorzystywać duży zakres rozpuszczalników, choć niektóre barwniki rozpuszczają się dobrze tylko w niektórych. Używa się różnych rozpuszczalników, wśród nich znajduje się woda, glikol, etanol, metanol, heksan, cykloheksan, cyklodekstryny i wiele innych. Rozpuszczalniki są zwykle toksyczne, a czasem mogą być pochłaniane bezpośrednio przez skórę lub opary. Wiele rozpuszczalników jest też silnie łatwopalna.

Adamantan jest dodawany do niektórych barwników w celu przedłużenia ich życia.

Lasery pompujące[edytuj | edytuj kod]

Wcześniej wspomniane lampy błyskowe i kilka typów laserów może być wykorzystywanych do optycznego pompowania laserów barwnikowych. Są to między innymi[12]:

  • lasery półprzewodnikowe
  • lasery ekscymerowe
  • lasery Nd:YAG, zbudowane z kryształu granatu itrowo-glinowego z domieszką neodymu
  • lasery azotowe
  • lasery rubinowe
  • lasery argonowe
  • lasery kryptonowe

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Lasery barwnikowe są bardzo wszechstronne. Oprócz ich ustalonej długości fali, oferują wysokie energie impulsów lub wysokie średnie moce. Udowodniono, że lasery pompowane błyskowo dostarczają kilkaset dżuli energii na impuls.[13]

Lasery barwnikowe wykorzystywane są w:

  • astronomii,
  • przemyśle produkcyjnym[14],
  • medycynie,
  • spektroskopii.[15].

W medycynie laserowej, te lasery wykorzystywane są na kilku polach, m.in. dermatologii gdzie używa się ich do wyrównywania kolorytu skóry[16][17]. Duży zakres możliwych do uzyskania długości fal pozwala na bliskie dopasowanie do linii absorpcyjnych niektórych cząstek, takich jak melanina lub hemoglobin, podczas gdy wąski zakres odchylenia długości fali pozwala zredukować możliwość uszkodzenia tkanek. Lasery barwnikowe używane są do leczenie blizn, usuwania kamieni nerkowych, oraz do leczenie naczyniaków płaskich i innych uszkodzeń naczyń krwionośnych. Mogą być dopasowane do szeregu różnych pigmentów w celu usuwania tatuaży jak również do wielu innych zastosowań[18].

W spektroskopii, lasery barwnikowe mogą być wykorzystywane do badania widma absorpcyjnego i emisyjnego dla różnych materiałów. Ich szeroki zakres długości fal i wysoka moc pozwala na dużo większą różnorodność niż inne źródła światła. Ilość możliwych do uzyskania długości impulsów, od ultrakrótkich, femtosekundowych impulsów aż do fali ciągłej pozwala na wykorzystanie ich w wielu różnych dziedzinach[19].

Przypisy

  1. F. P. Schäfer (Ed.), Dye Lasers (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
  2. F. J. Duarte and L. W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990).
  3. Design and Analysis of Flashlamp Systems for Pumping Organic Dye Lasers – J. F. Holzrichter and A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences
  4. Simmer-Enhanced Flashlamp Pumped Dye Laser – T.K. Yee, B. Fan and T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8
  5. General Xenon Flash and Strobe Design Guidelines
  6. Sam's Laser FAQ - Home-Built Dye Laser
  7. Encyclopedia of Laser Physics and Technology - spatial hole burning, SHB, laser, single-frequency operation
  8. Laser fundamentals by William T. Silfvast – Cambridge University Press 1996 Page 397-399
  9. "Principles of Lasers", by Orazio Svelto
  10. F. P. Schäfer and K. H. Drexhage, Dye Lasers., 2nd rev. ed., vol. 1, Berlin ; New York: Springer-Verlag, 1977
  11. laser_systems.indd
  12. F. J. Duarte and L. W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapters 5 and 6.
  13. F. J. Duarte (Ed.), High Power Dye Lasers (Springer-Verlag, Berlin,1991).
  14. D. Klick, Industrial applications of dye lasers, in Dye Laser Principles, F. J. Duarte and L. W. Hillman (Eds.)(Academic, New York, 1990) Chapter 8.
  15. W. Demtröder, Laser Spectroscopy, 3rd Ed. (Springer, 2003).
  16. L. Goldman, Dye lasers in medicine, in Dye Laser Principles , F. J. Duarte and L. W. Hillman, Eds. (Academic, New York, 1990) Chapter 10.
  17. A. Costela et al., Medical applications of dye lasers, in Tunable Laser Applications, F. J. Duarte (Ed.), 2nd Ed. (CRC, New York, 2009) Chapter 8
  18. Tunable Laser Applications By Frank J. Duarte – CRC Press 2009 Page 227-235
  19. The Laser Guidebook By Jeff Hecht – McGraw Hill 1992 Page 294