色素レーザー

色素レーザーは、有機色素をレーザー媒体（通常は液体溶液）として使用するレーザーです。ガスやほとんどの固体レーザー媒体と比較すると、色素は通常、はるかに広い波長範囲（50～100ナノメートル以上）に使用できます。帯域幅が広いため、波長可変レーザーやパルスレーザーに特に適しています。たとえば、ローダミン6G色素は、635 nm（オレンジがかった赤）から560 nm（緑がかった黄色）まで波長を調整でき、最短16フェムト秒のパルスを生成できます。^{[1]さらに、色素を別のタイプに置き換えて、同じレーザーで近赤外線から近紫外線までのさらに広い範囲の波長を生成することができますが、これには通常、}誘電体ミラーやポンプレーザーなど、レーザー内の他の光学部品も交換する必要があります。

色素レーザーは1966年にPPソロキンとFPシェーファー（および同僚）によって独立して発見されました。 ^{[2] [3]}

通常の液体状態に加えて、色素レーザーは固体色素レーザー(SSDL) としても利用できます。これらの SSDL レーザーは、ゲイン媒体として色素ドープ有機マトリックスを使用します。

色素レーザーは、蛍光ペンの色素のように、多くの場合蛍光を発する炭素ベースの可溶性染料である有機色素からなるゲイン媒体を使用します。色素は適合性のある溶媒と混合され、分子が液体全体に均一に拡散します。色素溶液は、色素セル内を循環するか、色素ジェットを使用して大気中に流すことができます。液体をそのレーザーしきい値を超えて「ポンプ」するには、高エネルギーの光源が必要です。この目的には通常、高速放電フラッシュチューブまたは外部レーザーが使用されます。また、液体を通過するたびに増幅される色素の蛍光によって生成された光を振動させるために、ミラーも必要です。出力ミラーの反射率は通常約 80% ですが、他のすべてのミラーの反射率は通常 99.9% を超えています。色素溶液は通常、三重項吸収を回避し、色素の劣化を減らすために、高速で循環されます。ビームを調整できるように、プリズムまたは回折格子が通常、ビーム経路に取り付けられます。

色素レーザーの液体媒体はどのような形状にも適合するため、さまざまな構成を使用できます。ファブリ ペローレーザー キャビティは、通常、フラッシュチューブ ポンプ式レーザーに使用されます。これは、レーザー媒体を挟んで互いに平行に取り付けられた、平面または曲面の 2 つのミラーで構成されます。 色素セルは、多くの場合、フラッシュチューブとほぼ同じ長さの細いチューブで、両端にウィンドウと液体の入口/出口があります。 色素セルは通常、側面からポンプされ、1 つ以上のフラッシュチューブが反射キャビティ内で色素セルと平行に走っています。 反射キャビティは、フラッシュチューブが生成する大量の近赤外線によって色素に熱衝撃が生じるのを防ぐため、水冷されることがよくあります。 軸方向ポンプ式レーザーには、色素セルを囲む中空の環状のフラッシュチューブがあり、より短いフラッシュでインダクタンスが低く、転送効率が向上しています。同軸ポンプレーザーは、フラッシュチューブを囲む環状の色素セルを備えており、転送効率がさらに向上しますが、回折損失のためにゲインが低くなります。フラッシュポンプレーザーは、パルス出力アプリケーションにのみ使用できます。^{[4] [5] [6]}

リングレーザー設計は連続動作によく選ばれるが、ファブリ・ペロー設計が使用されることもある。リングレーザーでは、レーザーのミラーはビームが円形の経路を進むように配置されている。染料セル、つまりキュベットは通常非常に小さい。反射損失を避けるために染料ジェットが使用されることもある。染料は通常、窒素、エキシマ、または周波数倍増 Nd:YAGレーザーなどの外部レーザーで励起される。液体は非常に高速で循環し、三重項吸収によってビームが遮断されるのを防ぐ。^{[7]ファブリ・ペロー共振器とは異なり、リングレーザーは}定在波を生成しない。定在波は空間ホールバーニングを引き起こす。空間ホールバーニングとは、波の山の間の媒体の未使用部分にエネルギーが閉じ込められる現象である。これにより、レーザー媒体からのゲインが向上する。^{[8] [9]}

これらのレーザーで使用される染料には、蛍光を発するかなり大きな有機分子が含まれています。ほとんどの染料は、光の吸収から放出までの時間が非常に短く、蛍光寿命と呼ばれ、数ナノ秒程度であることがよくあります。（比較すると、ほとんどの固体レーザーの蛍光寿命は数百マイクロ秒から数ミリ秒の範囲です。）標準的なレーザーポンピング条件下では、分子は反転分布が適切に構築される前にエネルギーを放出するため、染料にはかなり特殊なポンピング手段が必要です。液体染料は、非常に高いレーザーしきい値を持っています。さらに、大きな分子は複雑な励起状態遷移の対象となり、その間にスピンが「反転」し、有用で高速に放出される「一重項」状態から、より低速の「三重項」状態に急速に変化します。^[10]

入射光は、色素分子を励起して、誘導放射を放出する準備ができた状態、すなわち一重項状態にする。この状態では、分子は蛍光を介して光を放出し、色素はレーザー波長に対して透明である。1マイクロ秒以内に、分子は三重項状態に変化する。三重項状態では、光はリン光を介して放出され、分子はレーザー波長を吸収し、色素は部分的に不透明になる。フラッシュランプ励起レーザーは、三重項吸収が一重項放出を上回る前に色素を閾値を超えるために必要な大量のエネルギーを供給するために、極めて短い持続時間のフラッシュを必要とする。外部励起レーザーを備えた色素レーザーは、比較的少量の入力エネルギーで適切な波長の十分なエネルギーを色素に導くことができるが、三重項分子をビーム経路から遠ざけるために、色素を高速で循環させる必要がある。吸収率が高いため、励起エネルギーはしばしばかなり少量の液体に集中することがある。^[11]

有機染料は光の影響で分解する傾向があるため、染料溶液は通常、大きな容器から循環されます。^{[12]染料溶液は、}キュベット、つまりガラス容器を通って流れるか、染料ジェット、つまり特殊な形状のノズルから空気中にシート状のストリームとして流れます。染料ジェットを使用すると、ガラス表面からの反射損失とキュベットの壁の汚染を回避できます。これらの利点は、より複雑な調整を犠牲にして得られます。

液体染料はレーザー媒体として非常に高い利得を持つ。ビームは液体を数回通過するだけで設計最大出力に達するため、出力カップラーの透過率は高くなる。高利得は損失も大きくする。染料セル壁やフラッシュランプ反射鏡からの反射が寄生振動を引き起こし、ビームに利用できるエネルギー量を大幅に減らすからである。ポンプキャビティは、コーティング、陽極酸化処理、またはその他の方法で、レーザー波長では反射せずポンプ波長では反射する材料で作られることが多い。^[11]

有機染料の利点は、蛍光効率が高いことです。多くのレーザーやその他の蛍光デバイスにおける最大の損失は、伝達効率 (吸収エネルギーと反射/透過エネルギーの比) や量子収率(吸収数あたりの放出光子数) によるものではなく、高エネルギー光子が吸収され、より長い波長の光子として再放出されるときに生じる損失によるものです。光子のエネルギーは波長によって決まるため、放出される光子のエネルギーは低くなります。この現象はストークスシフトと呼ばれます。多くの染料の吸収中心は放出中心に非常に近い位置にあります。場合によっては、吸収プロファイルが放出プロファイルとわずかに重なるほど、両者が近いこともあります。その結果、ほとんどの染料はストークス シフトが非常に小さく、この現象により他の多くのレーザー タイプよりもエネルギー損失が低くなります。広い吸収プロファイルにより、フラッシュ チューブなどの広帯域ポンピングに特に適しています。また、特定の色素に対して幅広い種類のポンプレーザーを使用することが可能になり、逆に、単一のポンプレーザーで多くの異なる色素を使用することもできます。^[10]

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  色素レーザーで使用されるキュベット。薄い液体シートが高速でウィンドウ間を通過します。ウィンドウは、ポンプ レーザー用にブリュースター角(空気とガラスの界面) に設定され、放射ビーム用にブリュースター角 (液体とガラスの界面) に設定されています。
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  広帯域吸収/発光中のローダミン 6G のストークス シフト。レーザー動作では、ストークス シフトはポンプ波長と出力の差です。

連続波（CW）色素レーザー^[13]は、多くの場合、色素ジェットを使用します。CW色素レーザーは、線形またはリングキャビティを持つことができ、フェムト秒レーザーの開発の基礎を提供しました。

色素レーザーの放射は本質的に広い。しかし、調整可能な狭い線幅の放射は、色素レーザーの成功の中心となっている。狭帯域の調整を実現するために、これらのレーザーは、格子、プリズム、多重プリズム格子配置、エタロンなど、多くの種類の空洞と共振器を使用している。^[14]

ヘンシュが開発した最初の狭線幅色素レーザーは、ガリレオ式望遠鏡をビームエキスパンダーとして使用し、回折格子を照らした。^[15] 次に斜入射格子設計^{[16] [17]}と多重プリズム格子構成が採用された。^{[18] [19]色素レーザー用に開発されたさまざまな共振器と発振器の設計は、}ダイオードレーザー などの他の種類のレーザーにもうまく適応されている。^{[20]狭線幅}多重プリズム格子レーザー の物理は、ドゥアルテとパイパーによって説明された。^[21]

レーザー染料には、ローダミン（オレンジ、540〜680 nm）、フルオレセイン（緑、530〜560 nm）、クマリン（青、490〜620 nm）、スチルベン（紫、410〜480 nm）、ウンベリフェロン（青、450〜470 nm）、テトラセン、マラカイトグリーンなどがあります。^{[22] [23]}一部の染料は実際に食品着色料として使用されていますが、ほとんどの染料は非常に有毒で、多くの場合発がん性があります。^[24]ローダミン6G （塩化物形態）などの多くの染料は、ステンレス鋼を除くすべての金属に対して非常に腐食性があります。 染料は非常に広い蛍光スペクトルを持っていますが、染料の吸収と放出は特定の波長に集中し、両側に徐々に減少して、吸収中心が放出中心よりも波長が短い同調曲線を形成する傾向があります。たとえば、ローダミン 6G は 590 nm 付近で出力が最も高くなり、レーザーがこの波長のどちらかの側に調整されると変換効率が低下します。

幅広い種類の溶媒が使用可能ですが、ほとんどの染料は、他の溶媒よりも特定の溶媒によく溶けます。使用される溶媒には、水、グリコール、エタノール、メタノール、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロデキストリンなどがあります。溶媒は非常に有毒であり、皮膚から直接吸収されたり、蒸気を吸入したりすることがあります。また、多くの溶媒は非常に可燃性です。さまざまな溶媒は、染料溶液の特定の色、一重項状態の寿命、三重項状態の増強または消光、および特定のレーザーポンピング源で得られるレーザー帯域幅と出力にも影響を与える可能性があります。^[10]

アダマンタンは染料の寿命を延ばすためにいくつかの染料に添加されます。

シクロヘプタトリエンとシクロオクタテトラエン(COT) をローダミン G の三重項消光剤として追加すると、レーザー出力が増大します。メタノール水溶液で COT を含むローダミン 6G を使用すると、585 nm で 1.4 キロワットの出力が達成されました。

フラッシュランプや数種類のレーザーは色素レーザーを光励起するのに使用できる。励起レーザーの一部は以下の通りである。^[25]

• 銅蒸気レーザー
• ダイオードレーザー
• エキシマレーザー
• Nd:YAGレーザー（主に第2高調波と第3高調波）
• 窒素レーザー
• ルビーレーザー
• CW 方式のアルゴンイオンレーザー
• CW 方式のクリプトンイオンレーザー

RLフォーク、BIグリーン、CVシャンクは1981年にリング色素レーザー（または衝突パルスモード同期を利用した色素レーザー）を使用した超短レーザーパルスの発生を実証した。この種のレーザーは、持続時間約0.1ピコ秒のレーザーパルスを生成できる。^[26]

格子技術とキャビティ内プリズムパルス圧縮器の導入により、最終的にフェムト秒色素レーザーパルスの日常的な放出が可能になりました。

色素レーザーは非常に汎用性が高い。波長可変性に加え、非常に大きなパルスエネルギーや非常に高い平均出力を提供することができる。フラッシュランプ励起色素レーザーはパルスあたり数百ジュールの出力が得られることが示されており、銅レーザー励起色素レーザーはキロワット単位の平均出力が得られることが知られている。^[27]

色素レーザーは、次のような多くの用途で使用されています。

• 天文学（レーザーガイド星として）、
• 原子蒸気レーザー同位体分離^[28]
• 製造業^[29]
• 薬
• 分光法^[30]

レーザー医療では、これらのレーザーはいくつかの分野に適用されており、^{[31] [32]}皮膚科では肌の色をより均一にするために使用されます。 幅広い波長範囲が可能であるため、メラニンやヘモグロビンなどの特定の組織の吸収線に非常に近い一致が可能になり、狭い帯域幅が得られるため、周囲の組織が損傷する可能性が低くなります。ポートワイン染色やその他の血管障害、傷跡、腎臓結石の治療に使用されます。タトゥー除去用のさまざまなインクと組み合わせることができるほか、他の多くの用途にも使用できます。^[33]

分光法では、色素レーザーはさまざまな物質の吸収スペクトルと発光スペクトルを研究するために使用できます。その波長調整可能性（近赤外線から近紫外線まで）、狭い帯域幅、高強度により、他の光源よりもはるかに多様な用途が可能です。超短パルス、フェムト秒パルスから連続波動作まで、さまざまなパルス幅があるため、蛍光寿命や半導体特性の研究から月面レーザー測距実験まで、幅広い用途に適しています。^[34]

波長可変レーザーは、周波数掃引計測において、絶対距離を非常に高い精度で測定するために使用されています。2軸干渉計を設置し、周波数を掃引すると、固定アームから戻ってくる光の周波数は、距離測定アームから戻ってくる周波数とわずかに異なります。これによりビート周波数が生成され、これを検出して2つのアームの長さの絶対差を決定するために使用できます。^[35]

• レーザー色素 – レーザー媒体として使用される色素
• 有機レーザー – 炭素系材料を増幅媒体として使用するレーザー
• 固体色素レーザー – 色素を添加した有機マトリックスを使用したレーザー
• 可変波長レーザー – 波長が可変のレーザー

• ウィキメディア・コモンズの色素レーザー関連メディア