美国科学家用离子液体做介质，轻松将绿光变成橙光！

近日科学家们发现，通过简单地对离子液体（穿透液体）进行调整，激光可以产生一系列波长的变化，从而简单、高效、高度可定制地产生“变色”效果。

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的研究人员通过离子液体管发射出绿色激光，然后通过受激拉曼散射操作又产生了橙色光。他们的新技术提供了一种实用而有效的方法来转换现有激光系统的波长。

（图片来源：Brookhaven National Laboratory）

众所周知，黄橙色激光脉冲拥有更高功率的特点，是临床医疗与外科等众多应用中的理想选择，包括眼科矫正手术和某些皮肤疾病的治疗等医疗治疗流程，并且可用于医疗血液控制、工业光谱分析，传感和紧凑型可穿戴设备。但是，无论是直接用激光还是用非线性光学过程对另一种波长的光进行处理，都很难制造出它们。

而最近，美国科学家已经展示了如何有效地产生这种脉冲，而且仅仅是简单地通过沿着含有离子液体的管发送绿光并收集拉曼散射输出来进行。他们表示，这项技术可以用来产生可见光和红外波长范围内的高能脉冲。

利用拉曼散射

据介绍，这项研究是基于美国实验室加速器测试设施（ATF）中一种独特的高功率二氧化碳（CO₂）激光器来进行的。这种激光被用于研究先进类型的加速器技术，包括激光驱动的粒子加速器和二次辐射源，但它的光束质量和重复率受到目前用于泵浦的低效放电的限制。

在研究观察中，布鲁克海文大学的Rotem Kupfer和他的同事们逐渐用橙色激光脉冲源代替放电，当它与绿光结合时，可以产生光泵浦所需的中红外辐射。

他们的想法是利用离子液体通过拉曼散射将绿色激光转换为橙色。这种过程中，入射光子在特定的分子振动中损失能量，导致其频率明显降低。

正如研究人员解释的那样，拉曼散射可以通过将光定向于固体来实现。原则上，这保证了分子的高密度散射，但要形成集体振荡不仅困难而且成本高昂。另一方面，使用气体作为散射介质，降低了波长转换的复杂性和效率。

离子液体在这两者之间成为了最好的调和中介，在这个过程中发生了相对高密度的单分子的直接散射。离子液体的组成分子经过设计，可以以特定的频率来移动光，这种液体相当于室温下的熔盐——由特定的阳离子和阴离子人工合成。

用离子液体提升效率

首先，布鲁克海文小组通过制备大约12种不同的离子液体，然后测量它们的拉曼位移和光学透射光谱，确定了哪种材料可能最适合（结果显示EMIM DCA最适合）。

为了测试这种液体，Kupfer和他的同事们在一个63厘米长的管子里装满了这种液体，并将其置于长度为10纳秒、能量为115兆焦耳、波长为532纳米的激光脉冲中。然后，他们测量了输入泵浦脉冲和输出Stokes脉冲在603 nm处的光束轮廓和能量。

研究人员还用水作为参考液体，并复现了这个实验。他们发现，与水相比，EMIM DCA离子液体能够将能量从泵转移到Stokes脉冲的效率至少高出三倍。这个对比实验的结果还表明，基于离子液体的高粘度特点，在液体声波中能量损耗更少，而液体更广泛的光学透明度区域允许在近红外中使用其他泵浦源。

此外，研究人员还测试了另外两种具有不同拉曼位移的离子液体。在两种不同情况下，散射过程产生了几个阶的Stokes位移，这意味着一个重要的散射截面和激光波长的有效转换。

更实用，毒性更小

Kupfer及其同事认为，他们的新技术提供了一种实用而有效的方法来转换现有激光系统的波长，而且它不需要精确的相位匹配（就像光学参数放大的情况一样），也不会产生有毒物质（如溶解在溶剂中的染料）。研究人员们预计这种方法可以灵活而方便地在光谱区域产生高能激光辐射，这对各种科学和医疗应用而言都很价值。

接下来，他们计划优化激光路径长度，并演示用绿色激光的频率减去橙色激光的频率，以产生二氧化碳激光光泵浦所需的中红外辐射。此外，他们计划用一个更小的管子测试这个装置，这将降低填充它所需的离子液体的成本。