Nova estratégia usa líquidos iônicos para mudar as cores do laser com facilidade

19 de janeiro de 2023

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pelo Laboratório Nacional de Brookhaven

Os lasers são feixes intensos de luz colorida. Dependendo de sua cor e outras propriedades, eles podem escanear suas compras, cortar metal, erradicar tumores e até desencadear a fusão nuclear. Mas nem todas as cores de laser estão disponíveis com as propriedades certas para um trabalho específico.

Para corrigir isso, os cientistas encontraram várias maneiras de converter uma cor de luz laser em outra. Em um estudo recém-publicado na revista Physical Review Applied, cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstram uma nova estratégia de mudança de cor que é simples, eficiente e altamente personalizável.

O novo método se baseia nas interações entre o laser e a energia vibracional nas ligações químicas de materiais chamados "líquidos iônicos". Esses líquidos são feitos apenas de íons carregados positivamente e negativamente, como o sal de mesa comum, mas fluem como fluidos viscosos à temperatura ambiente. Simplesmente iluminar um laser através de um tubo cheio de um determinado líquido iônico pode reduzir a energia do laser e mudar sua cor, mantendo outras propriedades importantes do feixe de laser.

“Ao adicionar um certo íon que possui uma frequência vibracional específica, podemos projetar um líquido que desloca a luz do laser nessa frequência vibracional”, disse James Wishart, químico do Brookhaven Lab, especialista em líquidos iônicos e coautor do artigo. "E se quisermos uma cor diferente, podemos trocar um íon e colocar outro que tenha uma frequência vibracional diferente. Os íons componentes podem ser misturados e combinados para mudar as cores do laser em diferentes graus, conforme necessário."

O artigo descreve o uso do método para obter alterações de cor que eram difíceis de produzir usando outros métodos, incluindo uma mudança da luz verde do laser para o laranja - há muito procurada para aplicações médicas, como tratamento de doenças da pele e dos olhos.

A ideia surgiu de um projeto para aumentar as capacidades de um laser de dióxido de carbono (CO2) de alta potência exclusivo no Brookhaven Lab's Accelerator Test Facility (ATF). Os cientistas usam o ATF, uma instalação do usuário do DOE Office of Science, para explorar conceitos inovadores que vão desde aceleradores de partículas energizados por laser até fontes de raios-X compactas e brilhantes.

“O laser de CO2 da ATF é o único laser de pulso ultracurto e comprimento de onda longo do mundo; existem experimentos que você pode fazer lá e que não pode fazer em nenhum outro lugar”, disse o coautor do estudo Rotem Kupfer, ex-bolsista de pós-doutorado. na ATF. "Substituir o método de bombeamento deste laser de descarga elétrica comumente usada para excitação óptica deve melhorar a qualidade do feixe e a taxa de repetição para permitir experimentos ainda melhores."

Para criar um laser com o comprimento de onda apropriado (também conhecido como cor) para bombeamento óptico, os cientistas procuraram mudar o comprimento de onda de um laser existente. Eles escolheram a abordagem geral de espalhamento Raman estimulado, que aproveita as frequências vibracionais de moléculas em um sólido, líquido ou gás.

"Basicamente, o laser deposita energia nas vibrações moleculares - o esmagamento e o alongamento das ligações químicas que compõem o material. Então os fótons (partículas de luz) que saem têm a energia original menos a energia dessas vibrações", Kupfer disse. Os fótons de baixa energia têm um comprimento de onda maior, ou seja, uma cor diferente.

Nos gases, o processo é bastante simples porque você está lidando com moléculas individuais. Mas essas moléculas têm frequências vibracionais limitadas, o que limita os tipos de mudanças. E moléculas gasosas difusas significam que a eficiência de espalhamento é baixa. Sólidos, com moléculas mais compactadas, podem melhorar a eficiência. Mas suas frequências vibracionais mais complexas complicam a receita para o cultivo de tais materiais com as propriedades desejadas, portanto, fabricar esses materiais é caro.