布鲁克海文国家实验室的科学家们表明，离子液体提供了一种将一种颜色的激光转换成另一种颜色的有效方法。这一发现可能会导致一种方法，为一系列医学、科学和技术应用创造出具有所需颜色的激光。

该方法基于激光和不同类型的离子液体(也称为液体盐)之间的相互作用。离子液体中化学键的振动能量导致激光能量移动和变色。

“通过添加某种具有特定振动频率的离子，我们可以设计一种液体，通过振动频率改变激光，”化学家詹姆斯·维沙特说。“如果我们想要不同的颜色，那么我们可以切换出一种离子，放入另一种具有不同振动频率的离子。成分离子可以混合和匹配，根据需要不同程度地改变激光颜色。”

通过一个充满特定离子液体的管子发射绿色激光(照片右侧)可以很容易地将绿色激光转换为橙色(左上)——这是医学应用中长期以来一直寻求的颜色。通过选择不同的离子液体，该方法可以适应不同的色移。布鲁克海文国家实验室提供。

这种改变激光波长的新方法源于一个提高CO能力的项目2布鲁克海文的加速器测试设备上的激光。为了提高激光的光束质量和重复率，研究人员希望使用光激发而不是放电来泵浦激光。

来制造具有合适波长的激光光抽运，研究人员使用受激拉曼散射(SRS)来改变现有激光的波长。SRS可以用来控制固态、液态或气态分子的振动频率。

“基本上，激光将能量储存到分子振动中——构成材料的化学键的挤压和拉伸，”研究员Rotem Kupfer说。“然后出来的光子(光的粒子)就有了原来的能量，减去那些振动的能量。”较低能量的光子波长较长，因此颜色不同。

研究人员证明了1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰酰胺(EMIM DCA)，一种离子液体，是一种将Q开关Nd:YAG激光器的532纳米脉冲转换为603纳米的有效介质。这相当于大约2200厘米−1位移，它可用于产生光抽运CO的中红外辐射2激光。

研究小组成员(从左至右):Igor Pogorelsky(加速器试验设施，ATF)、Mark Palmer (ATF)、James Wishart(化学系)、Marcus Babzien (ATF)、Mikhail Polyanskiy (ATF)、Navid Vafaei-Najafabadi (ATF和石溪大学)、Furong Wang(化学系)、Luca Cultrera(仪器系)。未图示:Rotem Kupfer (ATF)和Triveni Rao(仪器仪表)。布鲁克海文国家实验室提供。

在选择用于抽吸CO的最佳离子液体时2激光，研究人员认为他们的变色方法可以有更广泛的用途。

在一个原理验证的单程转换设置中，研究人员在离子液体中获得了比相同条件下的水高三倍的拉曼转换效率，从而在高能量难以达到的波长范围内有效产生高质量的橙色激光脉冲。

“有很多困难的方法来实现拉曼位移。但对于这一次，我们只是用一种适当选择的离子液体填充一个试管，从一端发射激光，我们得到了我们想要的颜色——没有任何微调，”Wishart说。

库普费尔说，实现激光颜色转变的其他方法需要复杂的光学设置或使用有毒材料。“另外，那些其他的过程‘破坏’了分子;它们会磨损，必须更换，”他说。“在我们的案例中，它是一张资产负债表。分子不会受到伤害。”

研究人员确定，离子液体为工程液体提供了一个框架，适合在宽光谱范围内进行波长转换。仔细选择离子液体阴离子和阳离子的分子结构导致特定的特性，例如期望的拉曼位移、低布里渊散射以及在泵浦和斯托克斯波长中良好的光传输。离子液体可以与光子相互作用，同时提供高密度的能量交换位点。

气体分子具有有限的振动频率，扩散的气体分子意味着散射效率低。固体有更紧密的分子，使它们更有效率，但它们复杂的振动频率使它们的生产成本很高。

“液体介于两者之间，”威沙特说。“你仍然在处理单个分子，但是密度更大，意味着比气体更高效。有了离子液体，你可以设计分子给你你需要的频率。”

大量可用的离子液体使得精确调节由离子液体-光子相互作用引起的能量损失成为可能，从而对颜色提供更大的选择性控制。光学透明的离子液体防止光的背景吸收。此外，它们的粘度可以防止声波的激光散射，这可以减少低粘度液体中的变色效应。

尽管进一步的改进可以优化该过程，但研究人员表示，总体而言，定制的离子液体为使用SRS进行高效、简单、无需调整的激光变色提供了一个合适的平台。