Laser a Colorante DIY

Abstract : In questo post vogliamo sfruttare il laser ad azoto “fresco di costruzione” (Laser ad Azoto DIY), come sorgente di eccitazione di un laser a colorante. Il laser a colorante è super-radiante e quindi può funzionare, nelle opportune condizioni, anche senza una cavità risonante. Focalizzando sulla cuvetta contenente la soluzione con il colorante attivo, l’impulso laser UV prodotto dal nostro laser TEA si creano le condizioni per avere azione laser da parte della molecola colorante.

Introduzione

Un laser a colorante è un laser che utilizza un colorante organico come mezzo laser, solitamente in soluzione liquida. Rispetto ai gas e alla maggior parte dei mezzi laser a stato solido, un colorante può essere utilizzato in una gamma molto più ampia di lunghezze d’onda, spesso comprese tra 50 e 100 nanometri o più. L’ampia larghezza di banda li rende particolarmente adatti per laser sintonizzabili e per laser pulsati. Il colorante rodamina 6G, ad esempio, può essere sintonizzato da 635 nm (rosso-arancio) a 560 nm (giallo-verde) e produrre impulsi di soli 16 femtosecondi.
Un laser a colorante utilizza un mezzo di guadagno costituito da un colorante organico solubile a base di carbonio che spesso è fluorescente, come l’inchiostro di un evidenziatore. Il colorante viene miscelato con un solvente compatibile, consentendo alle molecole di diffondersi uniformemente in tutto il liquido.
È necessaria una fonte di luce ad alta energia per “pompare” il liquido oltre la sua soglia di emissione laser. A tale scopo viene solitamente utilizzato un tubo flash a scarica rapida o un laser esterno.

I coloranti usati in questi laser contengono molecole organiche piuttosto grandi che emettono fluorescenza. La maggior parte dei coloranti presenta un tempo molto breve tra l’assorbimento e l’emissione della luce, indicato come durata della fluorescenza, che spesso è dell’ordine di pochi nanosecondi (in confronto, la maggior parte dei laser a stato solido ha una durata di fluorescenza che va da centinaia di microsecondi a pochi millisecondi).
In condizioni di pompaggio laser standard, le molecole emettono la loro energia prima che un’inversione di popolazione possa accumularsi correttamente, quindi i coloranti richiedono mezzi di pompaggio piuttosto specializzati. I coloranti liquidi hanno una soglia laser estremamente elevata. Per fornire la grande quantità di energia necessaria per portare il colorante in condizione laser, può essere convenientemente utilizzato un laser ad azoto pulsato esterno.
Il diagramma a sinistra mostra lo schema del livello di energia per un laser a colorante (è un tipo a quattro livelli).
le molecole utilizzabili sono molteplici, ma ci concentriamo sulle seguenti : cumarina, rodamina 6G e fluoresceina.

Cumarina

La cumarina  è un composto aromatico. A temperatura ambiente si presenta in forma di cristalli incolori, dall’odore caratteristico. Isolata per la prima volta da Dipteryx odorata, il cui nome popolare era per l’appunto coumarin, la cumarina è presente in più di 27 famiglie di vegetali, ed è responsabile dell’odore dolce dell’erba appena tagliata. È la capostipite di una classe di composti derivati – detti cumarine – che hanno in comune la struttura benzopiranica della cumarina. La cumarina è usato anche come un mezzo di guadagno in alcuni laser a colorante. Assorbe a lunghezze d’onda inferiore a 400nm e presenta forte fluorescenza a 460nm.

Come mezzo attivo nel laser a colorante abbiamo utilizzato un solvente composto da alcol isopropilico, con una concentrazione di cumarina di circa 1 g/l.

Nelle immagini sotto si vede la fluorescenza e lo spettro di emissione di una soluzione di cumarina eccitata da un laser a 400 nm.

Rodamina 6G

La Rodamina 6G  è un composto altamente fluorescente appartenente alla famiglia delle rodamine. La rodamina emette fluorescenza e quindi può essere rilevata facilmente con strumenti chiamati fluorimetri.  La rodamina è ampiamente utilizzata in biologia, in istologia ed in microscopia come indicatore e colorante.
La Rodamina 6G è anche utilizzata come colorante laser, o mezzo di guadagno, nei laser a colorante, e viene pompata dalla seconda armonica (532 nm) della emissione del laser Nd:YAG o del laser ad azoto. Il colorante ha una notevole fotostabilità, una alta efficienza quantica di fluorescenza (0.95), basso costo, e la sua emissione laser è prossima al suo picco di assorbanza (approssimativamente 530 nm). Il range della emissione laser di questo colorante va da 555 nm a 585 nm con un massimo a 566 nm.

Come mezzo attivo nel laser a colorante abbiamo utilizzato un solvente composto da alcol metilico, con una concentrazione di rodamina di circa 1 g/l.

Nelle immagini sotto si vede la fluorescenza e lo spettro di emissione di una soluzione di rodamina 6G eccitata da un laser a 400 nm.

Fluoresceina

La fluoresceina sodica (o sale sodico della fluoresceina o uranina) è uno delle più utilizzate molecole fluorescenti. A temperatura ambiente si presenta come un solido rosso-bruno inodore, che emette una intensa fluorescenza nella gamma 520-530 nm (di colore giallo-verde, molto caratteristica) quando viene eccitata da raggi ultravioletti e nella gamma del blu (465-490 nm).

Come mezzo attivo nel laser a colorante abbiamo utilizzato un solvente composto da 60% di alcol etilico e 40% acqua (deionizzata), con una concentrazione di fluoresceina di circa 0.5 g/l.

Nelle immagini sotto si vede la fluorescenza e lo spettro di emissione di una soluzione di fluoresceina eccitata da un laser a 400 nm.

Setup

Il setup del laser a colorante è abbastanza semplice. Viene utilizzata una lente cilindrica che ha lo scopo di focalizzare il fascio UV generato dal laser TEA. Con una lente cilindrica la focalizzazione non avviene su di un punto ma su di una linea, la conformazione lineare dello spot di focalizzazione abilita l’azione laser super-radiante del mezzo attivo. La soluzione con il colorante è contenuta in una cuvette di quarzo di forma rettangolare, il quarzo è necessario perchè è trasparente alle lunghezze d’onda UV. Laser ad azoto, lente cilindrica e cuvette vanno allineati come mostrato nella immagine sotto. L’azione laser produce un fascio ortogonale al fascio di pompaggio.

L’immagine sotto mostra, su di uno schermo di carta, il fascio UV di pompaggio focalizzato dalla lente cilindrica.

L’immagine sotto mostra l’azione laser prodotta dal colorante cumarina. Il fascio di pompaggio viene focalizzato sulla faccia anteriore della cuvette. Ortogonalmente si produce il fascio prodotto dal laser a colorante, producendo lo spot visibile sullo schermo di carta a destra.

L’immagine sotto mostra invece l’azione laser prodotta dal colorante fluoresceina. Il fascio di pompaggio viene focalizzato sulla faccia anteriore della cuvette. Ortogonalmente si produce il fascio prodotto dal laser a colorante.

Conclusioni

La disponibilità del laser ad azoto TEA DIY permette di fare delle sperimentazioni con i laser a colorante. La costruzione è abbastanza semplice, è necessario però utilizzare una lente cilindrica ed una cuvette in quarzo (eBay made in China). I coloranti (fluoresceina, cumarina, …) si possono reperire abbastanza facilmente online a prezzi abbordabili, così come i solventi. E’ necessario però porre attenzione alla manipolazione di queste sostanze a causa della loro tossicità e/o pericolosità (volatili ed infiammabili).

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