ليزر الصبغة

ليزر الصبغة هو ليزر يستخدم صبغة عضوية كوسيط ليزري ، عادةً ما تكون محلولًا سائلًا . بالمقارنة مع الغازات ومعظم وسائط الليزر الصلبة ، يمكن استخدام الصبغة عادةً لنطاق أوسع بكثير من الأطوال الموجية ، غالبًا ما يمتد من 50 إلى 100 نانومتر أو أكثر. هذا النطاق الترددي الواسع يجعلها مناسبة بشكل خاص لليزر القابل للضبط والليزر النبضي. على سبيل المثال، يمكن ضبط صبغة الرودامين 6G من 635 نانومتر (أحمر برتقالي) إلى 560 نانومتر (أصفر مخضر)، وإنتاج نبضات قصيرة تصل إلى 16 فيمتوثانية. ^{[ 1 ]} علاوة على ذلك، يمكن استبدال الصبغة بنوع آخر لتوليد نطاق أوسع من الأطوال الموجية باستخدام نفس الليزر، من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة فوق البنفسجية القريبة، على الرغم من أن هذا يتطلب عادةً استبدال مكونات بصرية أخرى في الليزر أيضًا، مثل المرايا العازلة أو ليزرات الضخ.  

تم اكتشاف ليزرات الصبغة بشكل مستقل من قبل PP Sorokin و FP Schäfer (وزملائهم) وماري سبايث في عام 1966. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

إضافةً إلى الحالة السائلة المعتادة، تتوفر ليزرات الصبغة أيضاً كليزر صبغات الحالة الصلبة (SSDL). تستخدم هذه الليزرات مواد عضوية مشبعة بالصبغة كوسيط تضخيم.

يستخدم ليزر الصبغة وسطًا فعّالًا يتكون من صبغة عضوية ، وهي صبغة قابلة للذوبان أساسها الكربون، وغالبًا ما تكون فلورية، مثل الصبغة الموجودة في قلم التظليل . تُخلط الصبغة بمذيب متوافق ، مما يسمح للجزيئات بالانتشار بالتساوي في جميع أنحاء السائل. يمكن تدوير محلول الصبغة عبر خلية الصبغة، أو دفعه في الهواء الطلق باستخدام نفاثة صبغة. يلزم مصدر ضوء عالي الطاقة لضخ السائل إلى ما بعد عتبة الليزر . يُستخدم عادةً أنبوب وميض سريع التفريغ أو ليزر خارجي لهذا الغرض. كما يلزم وجود مرايا لتذبذب الضوء الناتج عن فلورة الصبغة، والذي يتضخم مع كل مرور عبر السائل. عادةً ما تكون مرآة الخرج عاكسة بنسبة 80% تقريبًا، بينما تكون جميع المرايا الأخرى عاكسة بنسبة تزيد عن 99.9%. عادةً ما يُدوّر محلول الصبغة بسرعات عالية، للمساعدة في تجنب امتصاص الثلاثيات وتقليل تحلل الصبغة. عادة ما يتم تركيب موشور أو محزز حيود في مسار الشعاع، للسماح بضبط الشعاع.

نظرًا لقدرة الوسط السائل في ليزر الصبغة على التكيف مع أي شكل، تتوفر العديد من التكوينات المختلفة التي يمكن استخدامها. يُستخدم تجويف ليزر فابري-بيرو عادةً في الليزرات المضخّة بأنبوب الوميض، ويتكون من مرآتين، قد تكونان مسطحتين أو منحنيتين، مثبتتين بالتوازي مع وجود وسط الليزر بينهما. غالبًا ما تكون خلية الصبغة عبارة عن أنبوب رفيع يُقارب طوله طول أنبوب الوميض، ويحتوي على نافذتين ومدخل/مخرج للسائل في كل طرف. عادةً ما تُضخّ خلية الصبغة جانبيًا، مع وجود أنبوب وميض واحد أو أكثر يمتد بالتوازي معها داخل تجويف عاكس. يُبرّد التجويف العاكس غالبًا بالماء لمنع الصدمة الحرارية في الصبغة الناتجة عن الكميات الكبيرة من إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة الذي يُنتجه أنبوب الوميض. أما الليزرات المضخّة محوريًا، فتتميز بأنبوب وميض مجوّف حلقي الشكل يُحيط بخلية الصبغة، مما يُقلل من الحثية ويُحسّن كفاءة النقل. تتميز الليزرات المضخّة محوريًا بخلية صبغية حلقية تحيط بأنبوب الوميض، مما يُحسّن كفاءة النقل، ولكنها تُعاني من انخفاض في الكسب بسبب فقدان الحيود. ولا يُمكن استخدام الليزرات المضخّة بالوميض إلا في تطبيقات الإخراج النبضي. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

يُفضّل تصميم الليزر الحلقي غالبًا للتشغيل المستمر، مع أن تصميم فابري-بيرو يُستخدم أحيانًا. في الليزر الحلقي، تُوضع مرايا الليزر بحيث يتحرك الشعاع في مسار دائري. عادةً ما تكون خلية الصبغة، أو الكوفيت، صغيرة جدًا. يُستخدم أحيانًا نفث الصبغة للمساعدة في تجنب فقدان الانعكاس. تُضخ الصبغة عادةً باستخدام ليزر خارجي، مثل ليزر النيتروجين أو ليزر الإكسيمر أو ليزر Nd:YAG ذي التردد المضاعف . يُدار السائل بسرعات عالية جدًا لمنع امتصاص الثلاثيات من قطع الشعاع. ^{[ 7 ]} على عكس تجاويف فابري-بيرو، لا يُولّد الليزر الحلقي موجات مستقرة تُسبب احتراق الثقوب المكانية ، وهي ظاهرة تُحتبس فيها الطاقة في أجزاء غير مستخدمة من الوسط بين قمم الموجة. يؤدي هذا إلى كسب أفضل من وسط الليزر. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تحتوي الأصباغ المستخدمة في هذه الليزرات على جزيئات عضوية كبيرة الحجم نسبيًا تتميز بخاصية التألق. تتميز معظم الأصباغ بفترة زمنية قصيرة جدًا بين امتصاص الضوء وانبعاثه، تُعرف بعمر التألق، والذي غالبًا ما يكون في حدود بضع نانوثوانٍ. (بالمقارنة، يتراوح عمر التألق في معظم ليزرات الحالة الصلبة من مئات الميكروثوانٍ إلى بضع ميلي ثوانٍ). في ظل ظروف ضخ الليزر القياسية، تُطلق الجزيئات طاقتها قبل أن يكتمل انعكاس التوزيع السكاني بشكل صحيح، لذا تتطلب الأصباغ وسائل ضخ متخصصة. تتميز الأصباغ السائلة بعتبة ليزر عالية للغاية . بالإضافة إلى ذلك، تخضع الجزيئات الكبيرة لانتقالات معقدة في الحالة المثارة ، حيث يمكن أن "ينقلب" دورانها المغزلي، متحولةً بسرعة من حالة "المفردة" المفيدة وسريعة الانبعاث إلى حالة "الثلاثية" الأبطأ. ^{[ 10 ]}

يُثير الضوء الساقط جزيئات الصبغة إلى حالة الاستعداد لإصدار إشعاع مُحفَّز ؛ وهي الحالة المفردة . في هذه الحالة، تُصدر الجزيئات الضوء عبر التألق ، وتكون الصبغة شفافة لطول موجة الليزر. في غضون ميكروثانية أو أقل، تتحول الجزيئات إلى حالتها الثلاثية . في الحالة الثلاثية، يُصدر الضوء عبر الفسفرة ، وتمتص الجزيئات طول موجة الليزر، مما يجعل الصبغة معتمة جزئيًا. تحتاج الليزرات المُضخَّمة بمصباح وميضي إلى ومضة قصيرة للغاية لتوفير كميات كبيرة من الطاقة اللازمة لتجاوز الصبغة عتبة التنشيط قبل أن يتغلب امتصاص الحالة الثلاثية على انبعاث الحالة المفردة. يمكن لليزر الصبغة المزود بليزر ضخ خارجي توجيه طاقة كافية من الطول الموجي المناسب إلى الصبغة بكمية صغيرة نسبيًا من طاقة الإدخال، ولكن يجب تدوير الصبغة بسرعات عالية لإبقاء جزيئات الحالة الثلاثية خارج مسار الشعاع. نظرًا لامتصاصها العالي، غالبًا ما تتركز طاقة الضخ في حجم صغير نسبيًا من السائل. ^{[ 11 ]}

نظرًا لأن الأصباغ العضوية تميل إلى التحلل تحت تأثير الضوء، يُضخ محلول الصبغة عادةً من خزان كبير. ^{[ 12 ]} يمكن أن يتدفق محلول الصبغة عبر خلية قياس (كوفيت )، أي وعاء زجاجي، أو على شكل تيار صبغي ، أي كتيار يشبه الصفيحة في الهواء الطلق من فوهة مصممة خصيصًا . مع التيار الصبغي، يتم تجنب فقدان الانعكاس من الأسطح الزجاجية وتلوث جدران الكوفيت. تأتي هذه المزايا على حساب عملية محاذاة أكثر تعقيدًا.

تتميز الأصباغ السائلة بكسب عالٍ جدًا كوسائط ليزرية. يحتاج الشعاع إلى المرور عبر السائل بضع مرات فقط للوصول إلى كامل طاقته التصميمية، ومن ثم، نفاذية عالية لمقرن الإخراج . يؤدي الكسب العالي أيضًا إلى خسائر عالية، لأن الانعكاسات من جدران خلية الصبغة أو عاكس مصباح الوميض تُسبب تذبذبات طفيلية ، مما يقلل بشكل كبير من كمية الطاقة المتاحة للشعاع. غالبًا ما تُطلى تجاويف الضخ ، أو تُؤكسد ، أو تُصنع من مادة لا تعكس عند طول موجة الليزر بينما تعكس عند طول موجة الضخ. ^{[ 11 ]}

من مزايا الأصباغ العضوية كفاءتها العالية في التألق. لا تنجم الخسائر الأكبر في العديد من الليزرات وأجهزة التألق الأخرى عن كفاءة النقل (الطاقة الممتصة مقابل الطاقة المنعكسة/المنقولة) أو المردود الكمي (عدد الفوتونات المنبعثة لكل عدد ممتص)، بل عن الخسائر الناتجة عن امتصاص الفوتونات عالية الطاقة وإعادة انبعاثها كفوتونات ذات أطوال موجية أطول. ولأن طاقة الفوتون تتحدد بطول موجته، فإن الفوتونات المنبعثة تكون ذات طاقة أقل؛ وهي ظاهرة تُعرف باسم إزاحة ستوكس . تقع مراكز امتصاص العديد من الأصباغ بالقرب من مراكز انبعاثها. أحيانًا يكون التقارب بينهما كافيًا لتداخل طفيف بين منحنى الامتصاص ومنحنى الانبعاث. ونتيجة لذلك، تُظهر معظم الأصباغ إزاحات ستوكس صغيرة جدًا، مما يسمح بفقدان طاقة أقل من أنواع الليزر الأخرى بفضل هذه الظاهرة. تجعل منحنيات الامتصاص الواسعة هذه الأصباغ مناسبة بشكل خاص للضخ واسع النطاق، كما هو الحال في أنبوب الوميض. كما يسمح ذلك باستخدام مجموعة واسعة من ليزرات الضخ لأي صبغة معينة، وبالمقابل، يمكن استخدام العديد من الأصباغ المختلفة مع ليزر ضخ واحد. ^{[ 10 ]}

• 
  خلية قياس تُستخدم في ليزر الصبغة. يمرّ غشاء رقيق من السائل بين النافذتين بسرعات عالية. تُضبط النافذتان بزاوية بروستر (السطح الفاصل بين الهواء والزجاج) لليزر الضخ، وبزاوية بروستر (السطح الفاصل بين السائل والزجاج) للشعاع المنبعث.
• 
  انزياح ستوكس في رودامين 6G أثناء امتصاص/انبعاث نطاق عريض. في تشغيل الليزر، يمثل انزياح ستوكس الفرق بين طول موجة الضخ وطول موجة الخرج.

تستخدم ليزرات الصبغة ذات الموجة المستمرة ^{[ 13 ]} غالبًا نفاثات الصبغة. يمكن أن تحتوي ليزرات الصبغة ذات الموجة المستمرة على تجويف خطي أو حلقي، وقد وفرت الأساس لتطوير ليزرات الفيمتو ثانية.

تتميز أشعة الليزر الصبغية بانبعاثها العريض بطبيعتها. ومع ذلك، كان ضبط عرض الخط الطيفي الضيق عاملاً أساسياً في نجاحها. ولتحقيق هذا الضبط، تستخدم هذه الليزرات أنواعاً عديدة من التجاويف والمرنانات، بما في ذلك المحززات، والموشورات، وترتيبات المحززات متعددة الموشورات ، والإيتالونات . ^{[ 14 ]}

استخدم أول ليزر صبغي ذو عرض خط طيفي ضيق ، والذي قدمه هانش ، تلسكوبًا غاليليويًا كموسع للشعاع لإضاءة محزز الحيود. ^{[ 15 ]} تلتها تصميمات محززات السقوط المماسي ^{[ 16 ] [ 17 ]} وتكوينات محززات الموشورات المتعددة . ^{[ 18 ] [ 19 ]} وقد تم تكييف تصميمات الرنانات والمذبذبات المختلفة التي طُورت لليزر الصبغي بنجاح مع أنواع أخرى من الليزر مثل ليزر الديود . ^{[ 20 ]} وقد شرح دوارتي وبايبر فيزياء ليزرات محززات الموشورات المتعددة ذات عرض الخط الطيفي الضيق . ^{[ 21 ]}

من بين أصباغ الليزر : الرودامين (برتقالي، 540-680  نانومتر)، والفلوريسين (أخضر، 530-560  نانومتر)، والكومارين (أزرق، 490-620  نانومتر)، والستيلبين (بنفسجي، 410-480  نانومتر)، والأومبليفيرون (أزرق، 450-470  نانومتر)، والتتراسين ، والأخضر المالاكيت ، وغيرها. ^{[ 22 ] [ 23 ]} وبينما تُستخدم بعض هذه الأصباغ في تلوين الأطعمة، فإن معظمها شديد السمية، وغالبًا ما يكون مسرطنًا. ^{[ 24 ]} كما أن العديد من الأصباغ، مثل الرودامين 6G (في صورته الكلوريدية)، قد تكون شديدة التآكل لجميع المعادن باستثناء الفولاذ المقاوم للصدأ. على الرغم من أن الأصباغ تتميز بأطياف فلورية واسعة جدًا، إلا أن امتصاصها وانبعاثها يميلان إلى التمركز حول طول موجي معين، ثم يتناقصان تدريجيًا على جانبيه، مما يُشكل منحنى قابلية ضبط، حيث يكون مركز الامتصاص أقصر من مركز الانبعاث. فعلى سبيل المثال، يُظهر رودامين 6G أعلى إنتاجية له عند حوالي 590  نانومتر، وتنخفض كفاءة التحويل كلما تم ضبط الليزر على جانبي هذا الطول الموجي.

يمكن استخدام مجموعة واسعة من المذيبات، مع العلم أن معظم الأصباغ تذوب بشكل أفضل في بعض المذيبات دون غيرها. ومن بين المذيبات المستخدمة: الماء ، والجليكول ، والإيثانول ، والميثانول ، والهكسان ، والسيكلوهكسان ، والسيكلودكسترين ، وغيرها الكثير. قد تكون المذيبات شديدة السمية، ويمكن امتصاصها أحيانًا مباشرةً عبر الجلد، أو عن طريق استنشاق الأبخرة. كما أن العديد من المذيبات شديدة الاشتعال. ويمكن أن تؤثر المذيبات المختلفة أيضًا على اللون المحدد لمحلول الصبغة، وعمر حالة المفرد، إما بتعزيز حالة الثلاثي أو إخمادها ، وبالتالي على عرض نطاق الليزر وقوته التي يمكن الحصول عليها باستخدام مصدر ضخ ليزر معين. ^{[ 10 ]}

تُضاف مادة الأدامانتان إلى بعض الأصباغ لإطالة عمرها.

يمكن إضافة سيكلوهيبتاترايين وسيكلوأوكتاتيترايين (COT) كمثبطات ثلاثية لرودامين G، مما يزيد من قدرة خرج الليزر. وقد تم الحصول على قدرة خرج تبلغ 1.4 كيلوواط عند 585 نانومتر باستخدام رودامين 6G مع COT في محلول من الميثانول والماء. 

يمكن استخدام مصابيح الوميض وأنواع عديدة من الليزر لضخ ليزرات الصبغة ضوئيًا. تتضمن قائمة جزئية من ليزرات الإثارة ما يلي: ^{[ 25 ]}

• ليزر بخار النحاس
• ليزرات ثنائية
• ليزر الإكسيمر
• ليزرات Nd:YAG (بشكل رئيسي التوافقيات الثانية والثالثة)
• ليزرات النيتروجين
• ليزر الياقوت
• ليزرات أيون الأرجون في نظام الموجة المستمرة
• ليزرات أيون الكريبتون في نظام الموجة المستمرة

أثبت كلٌّ من آر إل فورك، وبي آي غرين، وسي في شانك ، في عام 1981، إمكانية توليد نبضات ليزر فائقة القصر باستخدام ليزر صبغي حلقي (أو ليزر صبغي يستغل تقنية قفل نمط النبضات المتصادمة ). هذا النوع من الليزر قادر على توليد نبضات ليزرية مدتها حوالي 0.1 بيكو ثانية . ^{[ 26 ]}

أدى إدخال تقنيات المحززات وضواغط النبضات المنشورية داخل التجويف في النهاية إلى الانبعاث الروتيني لنبضات ليزر الصبغة الفيمتوثانية.

تتميز ليزرات الصبغة بتعدد استخداماتها. فبالإضافة إلى مرونتها المعروفة في تغيير الطول الموجي، يمكن لهذه الليزرات أن توفر طاقات نبضية عالية جدًا أو قدرات متوسطة عالية جدًا. وقد ثبت أن ليزرات الصبغة التي تُضخ بواسطة مصباح الوميض تُنتج مئات الجول لكل نبضة، كما أن ليزرات الصبغة التي تُضخ بواسطة ليزر النحاس معروفة بقدرتها المتوسطة التي تصل إلى نطاق الكيلوواط. ^{[ 27 ]}

تُستخدم ليزرات الصبغة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك:

• علم الفلك ( كنجوم توجيه ليزرية )،
• فصل النظائر باستخدام ليزر البخار الذري ^{[ 28 ]}
• التصنيع ^{[ 29 ]}
• الدواء
• التحليل الطيفي ^{[ 30 ]}

في مجال الطب الليزري، تُستخدم هذه الليزرات في عدة مجالات، ^{[ 31 ] [ 32 ]} بما في ذلك طب الجلد حيث تُستخدم لتوحيد لون البشرة. يتيح النطاق الواسع للأطوال الموجية المتاحة مطابقة دقيقة للغاية لخطوط امتصاص بعض الأنسجة، مثل الميلانين أو الهيموجلوبين ، بينما يساعد النطاق الترددي الضيق المتاح على تقليل احتمالية تلف الأنسجة المحيطة. تُستخدم هذه الليزرات لعلاج الوحمات الدموية واضطرابات الأوعية الدموية الأخرى، والندبات ، وحصى الكلى . كما يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من الأحبار لإزالة الوشم ، بالإضافة إلى عدد من التطبيقات الأخرى. ^{[ 33 ]}

في مجال التحليل الطيفي، يمكن استخدام ليزرات الصبغة لدراسة أطياف الامتصاص والانبعاث لمواد مختلفة. وتتيح قابليتها للضبط (من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة فوق البنفسجية القريبة)، وعرض نطاقها الضيق، وشدتها العالية، تنوعًا أكبر بكثير من مصادر الضوء الأخرى. كما أن تنوع عرض النبضات، من النبضات فائقة القصر التي تبلغ مدتها فيمتوثانية إلى التشغيل المستمر، يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من دراسة أعمار الفلورة وخصائص أشباه الموصلات وصولًا إلى تجارب قياس المسافة بالليزر على سطح القمر . ^{[ 34 ]}

تُستخدم أشعة الليزر القابلة للضبط في قياسات الترددات المتغيرة لتمكين قياس المسافات المطلقة بدقة عالية جدًا. يتم إعداد مقياس تداخل ثنائي المحور ، ومن خلال تغيير التردد، يختلف تردد الضوء العائد من الذراع الثابتة اختلافًا طفيفًا عن التردد العائد من ذراع قياس المسافة. ينتج عن ذلك تردد خفقان يمكن اكتشافه واستخدامه لتحديد الفرق المطلق بين طولي الذراعين. ^{[ 35 ]}

• صبغة الليزر – صبغة تُستخدم كوسيط ليزري 
• الليزر العضوي – ليزر يستخدم مادة أساسها الكربون كوسيط تضخيم 
• ليزر الصبغة ذو الحالة الصلبة – ليزر ذو مصفوفة عضوية مطعمة بالصبغة 
• ليزر قابل للضبط – ليزر ذو طول موجي متغير 

• الوسائط المتعلقة بأشعة الليزر الصبغية على ويكيميديا ​​كومنز