색소 레이저

Dye laser
580nm(노란색)에서 방출되는 로다민 6G 기반의 테이블 상판 CW 염료 레이저 클로즈업.방출된 레이저 빔은 노란색 창(가운데)과 노란색 광학(오른쪽 위) 사이에서 희미한 노란색 선으로 표시되며, 여기에서 이미지를 가로질러 보이지 않는 거울에 반사되어 왼쪽 아래 모서리에서 염료 제트로 되돌아갑니다.오렌지 색소 용액은 왼쪽에서 레이저로 들어가 오른쪽에서 나와 트리플렛 인광에서 계속 빛을 발하며 아르곤 레이저에서 514 nm(청록색) 광선에 의해 펌프됩니다.펌프 레이저가 노란색 창 아래에서 염료 제트로 들어가는 것을 볼 수 있습니다.

염료 레이저란 유기 염료를 레이저 매질로 사용하는 레이저로, 보통 액체 용액으로 사용됩니다.가스 및 대부분의 고체 끈 매체와 비교하여, 염료는 보통 훨씬 더 넓은 범위의 파장에 사용될 수 있으며, 종종 50에서 100나노미터 또는 그 이상의 범위에 걸쳐 사용됩니다.대역폭이 넓기 때문에 조정 가능한 레이저 및 펄스 레이저에 특히 적합합니다.예를 들어, 염료 로다민 6G는 635nm(오랭지색-빨간색)에서 560nm(녹색-노란색)까지 튜닝할 수 있으며 16펨토초 정도의 [1]짧은 펄스를 생성합니다.또한 염료는 같은 레이저로 근적외선부터 근자외선까지 보다 광범위한 파장을 생성하기 위해 다른 타입으로 대체될 수 있습니다.다만, 이것은 일반적으로 유전체 미러나 펌프 레이저와 같은 레이저의 다른 광학 컴포넌트를 교체해야 합니다.

염료 레이저는 1966년 [2][3]P. P. Sorokin과 F. P. Schéfer(및 동료)에 의해 독립적으로 발견되었다.

일반적인 액체 상태 외에 염료 레이저도 고체 염료 레이저(SSDL)로 사용할 수 있습니다.이 SSDL 레이저들은 염료 도프된 유기 매트릭스를 이득 매체로 사용합니다.

건설

빔 경로를 표시하는 선형 염료 레이저의 내부 캐비티입니다.펌프 레이저(녹색)가 왼쪽에서 염료 셀로 들어갑니다.방출된 빔은 캐비티 덤퍼(표시되지 않음)를 통해 우측(하단 노란색 빔)으로 빠져나갑니다.고반사체(상부 노란색 빔, 좌측)로서 회절 격자를 사용한다.2미터 빔은 거울과 프리즘에 의해 여러 번 방향 변경되며, 전체 길이를 줄이고, 공동의 여러 부분에 빔을 확장하거나 초점을 맞추고, 염료 셀에 의해 생성된 두 개의 역전파 중 하나를 제거합니다.이 레이저는 연속파 동작 또는 초단 피코초 펄스(조분의 1초, 1초 미만의 빔과 동일)를 실행할 수 있습니다.길이 1/3mm).
링 염료 레이저.P펌프 레이저빔, G-게인 염료제트, A-포화성 흡수제 염료제트, M0, M1, M2-평면거울, OC-출력커플러, CM1-CM4-곡면거울.

색소레이저는 유기염료로 이루어진 이득매체를 사용한다.유기염료는 형광펜의 염료와 같이 종종 형광성이 있는 탄소계 수용성 얼룩이다.염료는 용매와 혼합되어 액체 전체에 분자가 고르게 분산되도록 합니다.염료 용액은 염료 셀을 통해 순환되거나 염료 제트를 사용하여 외기를 통해 흐를 수 있습니다.액체를 끈적임 한계치를 넘어서 '펌프'하려면 높은 에너지원이 필요합니다.통상, 고속 방전 플래시 튜브 또는 외부 레이저가 이 목적으로 사용됩니다.또한 거울은 액체를 통과할 때마다 증폭되는 염료의 형광에 의해 생성된 빛을 진동시키기 위해 필요하다.출력 미러는 일반적으로 약 80%의 반사율을 나타내며, 다른 모든 미러는 일반적으로 99.9% 이상의 반사율을 보입니다.염료 용액은 일반적으로 고속으로 순환하여 삼중항 흡수를 방지하고 염료의 열화를 감소시킵니다.프리즘 또는 회절 격자는 보통 빔의 튜닝을 가능하게 하기 위해 빔 경로에 장착됩니다.

염료 레이저의 액체 매체는 어떤 형태에도 맞기 때문에 사용할 수 있는 다양한 구성이 있습니다.Fabry-Péro 레이저 공동은 일반적으로 플래시 튜브 펌프 레이저에 사용됩니다. 플래시 튜브는 평평하거나 구부러져 있으며 레이저 매체를 사이에 두고 서로 평행하게 장착되어 있습니다.염료 셀은 대개 플래시 튜브와 거의 같은 길이의 얇은 튜브이며, 양 끝에는 창문이 모두 있고 액체 흡입구/출구가 있습니다.염료 셀은 보통 반사기 캐비티의 염료 셀과 평행하게 하나 이상의 플래시 튜브가 있는 측면 펌프로 구성됩니다.리플렉터 캐비티는 플래시 튜브가 생성하는 다량의 근적외선 방사선에 의해 발생하는 염료의 열 충격을 방지하기 위해 수냉식인 경우가 많습니다.Axial pumped laser는 염료 셀을 둘러싼 중공 고리 모양의 플래시 튜브를 가지고 있어 짧은 플래시 동안 인덕턴스가 낮아 전송 효율이 향상되었습니다.동축 펌핑 레이저에는 플래시 튜브를 둘러싼 고리 모양의 염료 셀이 있어 전송 효율이 향상되지만 회절 손실로 인한 이득은 낮습니다.플래시 펌핑레이저는 펄스 출력 [4][5][6]어플리케이션에만 사용할 수 있습니다.

링 레이저 설계는 종종 연속 작동을 위해 선택되지만, 때로는 Fabry-Péro 설계가 사용됩니다.링 레이저에서 레이저의 미러는 빔이 원형 경로로 주행하도록 배치되어 있다.염색 세포, 즉 큐벳은 보통 매우 작다.반사 손실을 방지하기 위해 염료 제트를 사용하는 경우가 있습니다.염료는 보통 질소, 엑시머 또는 주파수가 2배로 증가하거나 Nd:YAG 레이저이 액체는 매우 빠른 속도로 순환되어 3중항 흡수가 [7]빔을 차단하는 것을 방지합니다.파브리-페로 캐비티와 달리 링 레이저는 공간 홀 연소를 일으키는 정재파를 발생시키지 않는다. 즉, 에너지가 파동의 꼭대기 사이에 있는 매체의 미사용 부분에 갇히는 현상이다.이것은 끈을 [8][9]매는 것으로부터 더 나은 이득을 얻을 수 있다.

작동

이 레이저에 사용되는 염료들은 형광을 내는 다소 큰 유기 분자를 포함하고 있다.대부분의 염료는 형광 수명이라고 불리는 빛의 흡수와 방출 사이의 시간이 매우 짧으며, 이것은 종종 몇 나노초 정도 됩니다.(대부분의 고체 레이저의 수명은 수백 마이크로초에서 수 밀리초입니다).표준 레이저 펌핑 조건 하에서, 분자들은 인구 반전이 적절하게 형성되기 전에 에너지를 방출하기 때문에, 염료는 펌핑의 특별한 방법을 필요로 합니다.액체 염료는 매우 높은 레이싱 역치를 가지고 있다.또한, 큰 분자는 스핀이 "플립"될 수 있는 복잡한 들뜬 상태 전환에 노출되어 유용하고 빠르게 방출되는 "싱글릿" 상태에서 느린 "트리플렛"[10] 상태로 빠르게 변화합니다.

들어오는 빛은 염료 분자를 자극 방사선을 방출할 준비가 된 상태로 흥분시킵니다. 싱글릿 상태입니다.이 상태에서 분자는 형광을 통해 빛을 방출하고 염료는 레이싱 파장에 투명하다.1 마이크로초 이내에, 분자들은 세쌍둥이 상태로 변할 것이다.트리플렛 상태에서는 인광을 통해 빛을 방출하고 분자가 레이싱 파장을 흡수하여 부분적으로 불투명하게 한다.플래시 램프에 의해 펌핑된 레이저는 3중항 흡수가 싱글트의 방출을 능가하기 전에 염료를 역치를 넘기기 위해 필요한 대량의 에너지를 공급하기 위해 매우 짧은 지속시간의 플래시를 필요로 합니다.외부 펌프 레이저를 사용하여 염료 레이저를 사용하면 비교적 적은 양의 입력 에너지로 적절한 파장의 에너지를 염료에 충분히 전달할 수 있지만, 염료는 3중분자를 빔 경로에서 벗어나게 하기 위해 고속으로 순환해야 합니다.펌핑 에너지는 흡수율이 높기 때문에 적은 양의 [11]액체에 집중되는 경우가 많습니다.

유기 염료는 빛의 영향을 받으면 분해되는 경향이 있기 때문에 일반적으로 염료 용액은 큰 [12]저장소에서 순환된다.염료 용액은 큐벳(예: 유리 용기)을 통해 흐를 수도 있고, 특수 모양의 노즐에서 나오는 외기의 시트 형태의 흐름처럼 염료 제트로 흐를 수도 있습니다.염료 제트를 사용하면 유리 표면의 반사 손실과 큐벳 벽의 오염을 방지할 수 있습니다.이러한 장점은 보다 복잡한 정렬을 통해 얻을 수 있습니다.

액체 염료는 레이저 매체로서 매우 높은 이득을 가진다.빔은 최대 설계 출력에 도달하기 위해 액체를 몇 번만 통과하면 되므로 출력 커플러의 높은 투과율을 얻을 수 있습니다.높은 이득은 또한 높은 손실을 초래합니다. 왜냐하면 염료 셀 벽이나 플래시 램프 반사체의 반사가 기생 진동을 일으켜 빔에 사용 가능한 에너지의 양을 크게 감소시키기 때문입니다.펌프 공동은 종종 코팅되거나 양극 처리되거나 펌프 [11]파장에서 반사되는 동안 레이저 파장에서 반사되지 않는 재료로 만들어집니다.

유기 염료의 장점은 형광 효율이 높다는 것이다.많은 레이저 및 기타 형광 장치에서 가장 큰 손실은 전달 효율성(흡수 대 반사/전송 에너지)이나 양자 수율(흡수 대 반사/전송 에너지)이 아니라 고에너지 광자가 흡수되어 더 긴 파장의 광자로 재방출될 때의 손실이다.광자의 에너지는 파장에 의해 결정되기 때문에 방출된 광자는 더 낮은 에너지를 가질 것이다; 스톡스 이동이라고 불리는 현상이다.많은 염료의 흡수 중심은 방출 중심과 매우 가깝습니다.때로는 흡수 프로파일이 방출 프로파일과 약간 겹칠 정도로 두 가지가 충분히 가깝습니다.그 결과, 대부분의 염료는 매우 작은 Stokes 변화를 보이며, 결과적으로 이 현상으로 인해 다른 많은 레이저 유형보다 낮은 에너지 손실을 허용합니다.흡수 프로파일이 넓기 때문에 플래시 튜브 등 광대역 펌핑에 특히 적합합니다.또한 특정 염료에 광범위한 펌프 레이저를 사용할 수 있으며, 반대로 단일 펌프 [10]레이저에 여러 가지 다른 염료를 사용할 수 있습니다.

  • A cuvette used in a dye laser. A thin sheet of liquid is passed between the windows at high speeds. The windows are set at Brewster's angle (air-to-glass interface) for the pump laser, and at Brewster's angle (liquid-to-glass interface) for the emitted beam.

    염료 레이저에 사용되는 큐벳.얇은 액체가 창문 사이를 고속으로 통과합니다.윈도우는 펌프 레이저의 경우 Brewster의 각도(공기 대 유리 인터페이스)로, 방출된 빔의 경우 Brewster의 각도(액체 대 유리 인터페이스)로 설정됩니다.

  • Stokes shift in Rhodamine 6G during broadband absorption/emission. In laser operation, the Stokes shift is the difference between the pump wavelength and the output.

    광대역 흡수/방출 중 Rhodamine 6G의 Stokes 이동.레이저 작동에서 스토크스 시프트는 펌프 파장과 출력 간의 차이입니다.

CW 색소 레이저

연속파(CW) 염료[13] 레이저에는 염료 제트가 사용되는 경우가 많습니다.CW 색소레이저는 선형 또는 링형 공동을 가질 수 있으며 펨토초 레이저를 개발하기 위한 기반을 제공합니다.

좁은 선폭의 염료 레이저

다중 프리즘 섹스와 빔을 한 방향으로 배치하여 회절 격자의 조명을 개선합니다.원치 않는 파장은 각도에 따라 분산되며, 염료 레이저의 출력을 조정하기 위해 사용되며, 종종 앙스트롬의 일부 선폭으로 조정됩니다.

염료 레이저의 방출은 본질적으로 광범위하다.그러나 조정 가능한 좁은 선폭 방출이 염료 레이저의 성공에 있어 핵심이었습니다.좁은 대역폭 튜닝을 생성하기 위해 레이저에는 격자, 프리즘, 다중 프리즘 격자 배치 및 에탈론 등 [14]다양한 유형의 공동 및 공진기가 사용됩니다.

Hénsch에 의해 도입된 최초의 좁은 선폭 염료 레이저는 회절 격자를 [15]비추기 위해 빔 익스팬더로 갈릴레이 망원경을 사용했습니다.다음으로 방목-인시던스[16][17] 그레이팅 설계와 다중 프리즘 그레이팅 [18][19]구성이 있습니다.염료 레이저용으로 개발된 다양한 공진기와 발진기 디자인은 다이오드 [20]레이저와 같은 다른 레이저 유형에 성공적으로 적용되었습니다.협선폭 다중 프리즘 그레이팅 레이저의 물리학은 Duarte와 [21]Piper에 의해 설명되었습니다.

사용된 화학물질

로다민 6G 염화물 분말, 메탄올과 혼합, 녹색 레이저의 영향 아래 노란색 빛을 방출

레이저 염료로는 로다민(주황색, 540–680nm), 플루오레세인(녹색, 530–560nm), 쿠마린(청색 490–620nm), 스틸벤(자색 410–480nm), 움벨리페론(청색, 450–470nm), 테트라센, 말라카이트 그린 [22][23]등이 있다.몇몇 염료들은 실제로 식용 색소에 사용되지만, 대부분의 염료들은 매우 독성이 있고 종종 발암을 [24]일으킨다.로다민 6G(염화물 형태)와 같은 많은 염료는 스테인리스강을 제외한 모든 금속에 매우 부식될 수 있습니다.염료는 매우 넓은 형광 스펙트럼을 가지고 있지만, 염료의 흡수 및 방출은 특정 파장에 중심을 두고 각 파장으로 갈수록 좁아지는 경향이 있으며, 흡수 중심은 방출 중심보다 파장이 짧은 조정 곡선을 형성합니다.예를 들어 로다민 6G는 약 590nm의 최고 출력을 가지며, 레이저가 이 파장의 어느 한쪽에 동조하면 변환 효율이 떨어진다.

다양한 용제를 사용할 수 있지만, 대부분의 염료는 다른 용제보다 일부 용제에서 더 잘 녹습니다.사용되는 용제로는 물, 글리콜, 에탄올, 메탄올, 헥산, 사이클로헥산, 사이클로덱스트린 등이 있습니다.용제는 독성이 강할 수 있으며 때로는 피부 또는 흡입된 증기를 통해 흡수될 수 있습니다.또한 많은 용제는 인화성이 매우 높습니다.또한 다양한 용제는 염료 용액의 특정 색상, 싱글렛 상태의 수명, 트리플렛 상태를 강화하거나 완화하여 특정 레이저 펌핑 [10]소스로 얻을 수 있는 레이싱 대역폭 및 전력에 영향을 미칠 수 있습니다.

아다만탄은 수명을 연장하기 위해 일부 염료에 첨가된다.

시클로헵타트리엔과 시클로옥타테트라엔(COT)을 로다민G의 트리플렛 급랭제로 첨가할 수 있어 레이저 출력력을 높일 수 있다.585 nm에서 1.4 킬로와트의 출력 출력을 메탄올 수용액에서 COT와 함께 로다민 6G를 사용하여 달성하였다.

들뜸 레이저

플래시 램프 및 여러 종류의 레이저를 사용하여 광학적으로 염료 레이저를 펌핑할 수 있습니다.여기 레이저의 일부 리스트는 다음과 같습니다.[25]

초단시간 광펄스

R. L. 포크, B.I. Greene 및 C. V. Shank는 1981년에 링 염색 레이저(또는 충돌 펄스 모드 잠금을 이용한 염료 레이저)를 사용하여 초단 레이저 펄스의 생성을 시연했습니다.이러한 종류의 레이저는 [26]지속시간 0.1ps까지의 레이저 펄스를 발생시킬 수 있습니다.

그레이팅 기법과 공동 내 프리즘 펄스 압축기의 도입으로 결국 펨토초 염료 레이저 펄스의 일상적인 방출이 이루어졌습니다.

적용들

LLNL에서의 원자증기 레이저 동위원소 분리 실험. 녹색 빛은 오렌지 빛을 내는 고도로 튜닝된 염료 레이저를 펌프하는 데 사용되는 구리 증기 펌프 레이저입니다.

염료 레이저는 매우 다용도입니다.인식된 파장 민첩성 외에도 이 레이저들은 매우 큰 펄스 에너지 또는 매우 높은 평균 전력을 제공할 수 있습니다.플래시 램프에 의해 점멸된 염료 레이저에서는 펄스당 수백 줄의 줄과 구리 레이저에 의해 점멸된 염료 레이저에서는 킬로와트 단위의 [27]평균 전력이 발생하는 것으로 알려져 있습니다.

염료 레이저는 다음과 같은 많은 용도로 사용됩니다.

레이저 의학에서 이 레이저들은 피부톤을 더 고르게 만들기 위해 사용되는 피부과 등 여러 [31][32]분야에 사용된다.가능한 광범위한 파장은 멜라닌이나 헤모글로빈과 같은 특정 조직의 흡수 라인에 매우 근접하게 일치시킬 수 있는 반면, 얻을 수 있는 좁은 대역폭은 주변 조직에 대한 손상 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.좌와인 얼룩과 기타 혈관 장애, 흉터 및 신장 결석을 치료하는데 사용됩니다.문신 제거용 잉크를 다양하게 조합할 수 있을 뿐만 아니라 여러 가지 [33]응용 프로그램에도 사용할 수 있습니다.

분광학에서는 다양한 물질의 흡수 및 방출 스펙트럼을 연구하기 위해 염료 레이저를 사용할 수 있다.조정성(근적외선부터 근자외선까지), 좁은 대역폭 및 높은 강도로 인해 다른 광원보다 훨씬 큰 다양성을 제공합니다.초단 펨토초 펄스부터 연속파 작동까지 다양한 펄스 폭은 형광 수명 및 반도체 특성 연구부터 달 레이저 범위 실험까지 [34]광범위한 응용 분야에 적합합니다.

조정 가능한 레이저는 매우 높은 정확도로 절대 거리를 측정할 수 있도록 스위프 주파수 측정법에 사용됩니다.2축 간섭계를 설치하고 주파수를 스위프함으로써 고정암에서 돌아오는 빛의 주파수와 거리측정암에서 돌아오는 주파수가 약간 다르다.이를 통해 두 [35]암 길이의 절대 차이를 감지하고 결정하는 데 사용할 수 있는 비트 주파수가 생성됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크

  • Wikimedia Commons의 Dy 레이저 관련 미디어