Laseri su intenzivni snopovi obojene svetlosti. U zavisnosti od njihove boje i drugih svojstava, oni mogu skenirati vaše namirnice, preseći metal, iskoreniti tumore, pa čak i pokrenuti nuklearnu fuziju. Ali nije svaka laserska boja dostupna sa pravim svojstvima za određeni posao.
Da bi to popravili, naučnici su pronašli različite načine za pretvaranje jedne boje laserske svetlosti u drugu. U studiji koja je upravo objavljena u časopisu Phisical Reviev Applied, naučnici iz Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD (DOE) demonstriraju novu strategiju promene boje koja je jednostavna, efikasna i veoma prilagodljiva.
Nova metoda se oslanja na interakcije između laserske i vibracione energije u hemijskim vezama materijala koji se nazivaju „jonske tečnosti“. Ove tečnosti su napravljene samo od pozitivno i negativno naelektrisanih jona, poput obične kuhinjske soli, ali teku kao viskozne tečnosti na sobnoj temperaturi. Jednostavno sijanje lasera kroz cev napunjenu određenom jonskom tečnošću može smanjiti energiju lasera i promeniti njegovu boju uz zadržavanje drugih važnih osobina laserskog zraka.
„Dodavanjem određenog jona koji ima određenu vibracionu frekvenciju, možemo da dizajniramo tečnost koja pomera lasersku svetlost za tu frekvenciju vibracija“, rekao je hemičar iz Brookhaven laboratorije Džejms Višart, stručnjak za jonske tečnosti i koautor rada. „A ako želimo drugačiju boju, onda možemo da isključimo jedan jon i ubacimo drugi koji ima drugačiju frekvenciju vibracija. Komponentni joni se mogu mešati i upariti da pomeraju boje lasera za različite stepene po potrebi.“
U radu se opisuje korišćenje metode za postizanje promena boje koje je bilo teško proizvesti drugim metodama, uključujući prelazak sa zelenog laserskog svetla na narandžastu – dugo traženu za medicinske primene kao što je lečenje stanja kože i očiju.
Ideja je izrasla iz projekta za jačanje sposobnosti jedinstvenog lasera na ugljen-dioksid (CO 2 ) velike snage u laboratoriji za testiranje ubrzanja (ATF) u Brookhejvenu. Naučnici koriste ATF, korisnički objekat DOE Office of Science, da istraže inovativne koncepte u rasponu od akceleratora čestica sa laserskom energijom do kompaktnih i svetlih izvora rendgenskih zraka.
„ATF-ov CO 2 laser je jedini ultra-kratki puls, dugotalasni laser na svetu; postoje eksperimenti koje možete da uradite tamo, a ne možete nigde drugde“, rekao je koautor studije Rotem Kupfer, bivši postdoktor saradnik u ATF-u. „Zamena metode pumpanja ovog lasera sa obično korišćenog električnog pražnjenja na optičku pobudu trebalo bi da poboljša kvalitet zraka i stopu ponavljanja kako bi se omogućili još bolji eksperimenti.
Da bi napravili laser sa odgovarajućom talasnom dužinom (tzv. boja) za optičko pumpanje, naučnici su pokušali da pomere talasnu dužinu postojećeg lasera. Izabrali su opšti pristup stimulisanog Ramanovog rasejanja, koji koristi frekvencije vibracija molekula u čvrstom stanju, tečnosti ili gasu. Ovaj video prikazuje zeleno lasersko svetlo koje se pretvara u narandžasto. Treperenje je artefakt neusaglašenosti brzine zatvarača kamere i laserskog treptanja. Kredit: Brookhaven National Laboratori
„U osnovi, laser taloži energiju u molekularne vibracije – gnječenje i rastezanje hemijskih veza koje čine materijal. Zatim fotoni (čestice svetlosti) koji izlaze imaju prvobitnu energiju minus energiju tih vibracija“, Kupfer rekao. Fotoni niže energije imaju veću talasnu dužinu, ili drugim rečima, drugačiju boju.
U gasovima, proces je prilično jednostavan jer imate posla sa pojedinačnim molekulima. Ali ti molekuli imaju ograničene vibracione frekvencije, što ograničava vrste pomeranja. A difuzni gasoviti molekuli znače da je efikasnost rasejanja niska. Čvrste materije, sa čvršće upakovanim molekulima, mogu poboljšati efikasnost. Ali njihove složenije vibracione frekvencije komplikuju recept za uzgoj takvih materijala sa željenim svojstvima, tako da je izrada ovih materijala skupa.
„Tečnosti su negde između“, rekao je Vishart. „Još uvek imate posla sa pojedinačnim molekulima, ali gušćim, što znači veću efikasnost od gasova. A sa jonskim tečnostima, možete da konstruišete molekule da vam daju frekvenciju koja vam je potrebna.“
Optički providne jonske tečnosti takođe olakšavaju izbegavanje pozadinske apsorpcije svetlosti, a njihov veći viskozitet izbegava lasersko rasipanje akustičnih talasa, što se takmiči i umanjuje efekat promene boje u tečnostima niske viskoznosti poput vode.
Dok su naučnici radili na odabiru idealne jonske tečnosti za pumpanje CO 2 lasera, shvatili su da pristup promene boje korišćenjem jonskih tečnosti ima još širu privlačnost. U radu opisuju njegovu upotrebu u dodatnim promenama boja, uključujući i neuhvatljiv pomak od zelene do narandžaste.
„Postoji mnogo teških načina da se uradi Ramanovo pomeranje. Ali za ovaj, samo smo napunili cev sa pravilno odabranom jonskom tečnošću, upalili laser sa jednog kraja i dobili smo boju koju smo želeli — bez ikakvog finog podešavanja “, rekao je Vishart.
„Druge metode za postizanje takve promene boje zahtevaju složene optičke postavke ili upotrebu toksičnih materijala kao što su boje rastvorene u rastvaračima“, rekao je Kupfer. „Plus, ti drugi procesi ‘razbijaju’ molekule; oni se troše i moraju se zameniti. U našem slučaju, to je bilans stanja. Molekuli ostaju neoštećeni.“
Vishart se složio: „Protresa molekule, ali ih ne razbija.“
Naučnici kažu da postoji niz poboljšanja koja bi mogla da optimizuju proces, ali da su sveukupno napravljene jonske tečnosti po narudžbini platforma za efikasno, jednostavno lasersko pomeranje boja bez podešavanja za brojne industrijske i tehnološke svrhe.
