DE2534713A1

DE2534713A1 - Farbstofflaser

Info

Publication number: DE2534713A1
Application number: DE19752534713
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr Basting
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1977-02-17

Description

Farbstofflaser Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von kohärenter monochromatischer Strahlung (Laserlicht) mittels eines Farbstoff lasers, der aus einem Reservoir für die Farbstofflösung und einer damit verbundenen Energiequelle besteht, die in der Lage ist, die Farbstofflösung zu einer Emission anzuregen, wobei die erzeugte Strahlung im Wellenlängenbereich von 650 bis 950 nm liegt.
Ein Laser ist eine Lichtverstärkungseinrichtung, mit deren Hilfe es möglich ist, kohärentes monochromatisches Licht einer hohen Intensität zu erzeugen. Vorteilhafte Laserapparaturen haben einen optischen Resonanzhohlraum, der einen innerhalb eines dünnwandigen Quarz zylinders angeordneten flüssigen Laserkörper enthält. Dieser ist gewöhnlich Teil eines geschlossenen Systems, durch welches die Farbstofflösung, während der Laser in Funktion ist, im Kreislauf gepumpt wird.
Auf diese Weise wird eine lokalisierte Überhitzung vermieden, die zur Schlierenbildung führt.
Die Anregung der Farbstoffe erfolgt mit Hilfe von Energiequellen, die Elektronen oder Strahlen aussenden, wobei der Farbstofflaser auch durch einen Gas-Laser, beispielsweise einen Stickstoff- oder Argon-Laser angeregt werden kann.
Die Anregung, auch als optisches Pumpen bezeichnet, bewirkt, daß Molekülelektronen des Laserfarbstoffes aus dem Grundzustand auf einen hohen Energiezustand angehoben werden, von dem aus ein Strahlungsübergang erfolgt. Übertrifft die Zahl der im angeregten Zustand befindlichen Moleküle die im Grundzustand befindlichen Moleküle, so erfolgt ein spontaner emittierender Übergang in den Grundzustand und das Licht wird im optischen Resonator hin und her geworfen und dabei durch stimulierende Emission verstärkt. Durch diese stimulierte Resonanzemission werden noch weitere Moleküle angeregt.
Ist einer der Laser-Spiegel partiell lichtdurchlässig, so tritt ein Teil der Strahlung in Form des Laserstrahles aus der Apparatur aus. Besonders leicht anzuregende Farbstoffe zeigen die Erscheinung der "Super-Radiance", Stellt man eine Quarzküvette mit der Lösung eines solchen Farbstoffes in den Strahl eines Stickstofflasers, so sendet die Lösung, auch ohne sich zwischen Resonator-Spiegeln zu befinden, bereits Laser-Licht aus.
Ein wesentlicher Vorteil des Farbstoff lasers im Vergleich zu festen oder gasförmigen Lasern ist dessen Fähigkeit, selektiv abstimmbar zu sein. Wegen der Fluoreszenzbandbreite der eingesetzten Farbstoffe können Farbstofflaser durch Einfügen eines Streuelementes, z.B. eines Beugegitters oder eines Prismas, so abgestimmt werden, daß sie Laserlicht in der gesamten Fluoreszenzbande des Farbstoffes emittieren.
Obwohl bereits eine Vielzahl von geeigneten Farbstoffen vorgeschlagen wurde, besteht im Wellenlängenbereich um 700 nm noch ein Mangel an gut wirksamen Verbindungen.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Farbstofflaser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Laserfarbstofflösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstoff lösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung in einem die Emission nicht störenden Lösungsmittel einen Farbstoff der allgemeinen Formel worin X für den Rest Y für 0 oder für ein Anion B für die restlichen Glieder eines gegebenenfalls substituierten Benzol- oder Naphthalinrings D für die restlichen Glieder eines gegebenenfalls substituierten Naphthalinrings R1 für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, einen mit dem Nachbar-C-Atom von B oder D verknüpften Alkylenrest oder zusammen mit R2 und dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Heteroatome als Ringglieder, für die restlichen Glieder eines heterocyclischen Ringsystems und R2 für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aralkyl oder zusammen mit R1 und dem Stickstoffatom an das sie gebunden sind, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Heteroatome als Ringglieder, für die restlichen Glieder eines heterocyclischen Ringsystems stehen, in einer Laserstrahlen emittierenden Konzentration von vorzugsweise TO-2 bis 10 4 Mol/Ltr enthält.
Als Alkylreste R1 und R2 kommen insbesondere solche mit 1 bis 5 C-Atomen in Betracht, die weitere, insbesondere nichtionogene Substituenten aufweisen können wie Halogen, insbesondere Chlor und Brom; Cyan; C1-C4-Alkoxy wie Methoxy, Äthoxy, n-Propoxy und n-Butoxy; Di-C1 -C4-alkylamino wie Dimethylamino, Diäthylamino, N-Phenyl-N-C1-C4-alkylamino wie N-Phenyl-N-methylamino; Hydroxy; Cycloalkyl wie Cyclohexyl, C1-C4-Alkoxycarbonyl wie Methoxycarbonyl, thoxycarbonyl, ß-Methoxyäthoxycarbonyl, ß-Athoxy-äthoxycarbonyl, n-Butoxycarbonyl; N-C1 -C4-Alkylaminocarbonyl wie Methyl- oder Athylaminocarbonyl; Di-C1-C4-aminocarbonyl wie Dimethylaminocarbonyl oder Diäthylaminocarbonyl; Carbamoyl.
Geeignete Cycloalkylreste R1 sind vorzugswiese der Cyclohexyl-oder Cyclopentylrest.
Als Aralkylreste R1 oder R2 sind bevorzugt Benzyl- und Phenyläthylreste zu nennen.
Als heterocyclische Ringsysteme, die durch R1 und R2 über das gemeinsame stickstoffatom gebildet werden können, kommen bevorzugt 5- oder 6-gliedrige N-Heterocyclen wie Pyrrolidin, Piperidin, Morpholin, N-C1-C4-Alkylpiperazin, Pyrazolin und Isoindolin in Betracht.
Alkylengruppen R1, die mit dem Nachbar-C-Atom von B oder D verknüpft sind, enthalten vorzugsweise zwei oder drei C-Kettenglieder und können zusätzlich insbesondere durch Methylreste substituiert sein.
Als Beispiele für derartige Alkylengruppen seien der Äthylen-, 1,3-Propylen-Rest und die Gruppe -C(CH3)2-CH2-CH(CH3)- genannt.
Als Substituenten der Ringe B und D seien beispielsweise der C1 -C 3-Alkylrest, insbesondere Methyl; Halogen wie Chlor und C1-C3-Alkoxyreste wie Methoxy, Äthoxy oder Isopropoxy genannt.
Geeignete Anionen AO sind beispielsweise Chlorid, Bromid, Sulfat, Carbonat, Methosulfat, Acetat, Formiat und Benzolsulfonat, vor allem aber Chlorid.
Bevorzugte Laserfarbstoffe der Formel I entsprechen der Formel worin E durch einen weiteren Benzolring anelliert sein kann, X1 für und Y1 für 0 oder AO stehen, wobei R3 und R4 für gegebenenfalls einmal durch Hydroxy, Cyan oder Chlor substituiertes C1-C4-Alkyl oder für Benzyl stehen und Ae ein Anion bedeutet.
Eine weitere bevorzugte Klasse von Laserfarbstoffen entspricht der allgemeinen Formel worin X1 und Y1 die in Formel (II) angegebene Bedeutung haben.
Eine weitere bevorzugte Klasse von Laserfarbstoffen entspricht der allgemeinen Formel worin X1 und Yt die in Formel (II) angegebene Bedeutung haben.
Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Lösungsmittel, welche die stimulierte Emission nicht behindern, sind Wasser, ein-und mehrwertige Alkohole, z.B. Methanol, Äthanol, Isopropanol, Butarol, Äthylenglykol, Glykolmonoäthyläther, cyclische Äther, wie Tetrahydrofuran, Dioxan, aromatische Verbindungen, wie Benzol, Toluol, Phenol, Resorcin, Kresole, außerdem Cyclohexan, Dekalin, Chloroform, Dimethylsulfoxid, tone, wie Aceton, Butanon-2, Cyclohexanon, Ester, wie Essigsäureäthylester, Malonsäurediäthylester, Glykoldiacetat, Diäthylcarbonat und fluorierte Alkohole, beispielsweise Hexafluorisopropanol.
Die in dem erfindungsgemäßen Laser verwendeten Farbstoffe sind teilweise bekannt, beispielsweise aus R. Möhlau, K. Uhlmann Liebigs Annalen der Chemie 289, 90 - 130 oder lassen sich in bekannter Weise z.B. durch Umsetzung geeigneter aminosubstituierter o-Nitrosophenole oder -naphthole mit Naphthylaminen oder Naphtholen erhalten.
Beispiel 1 In einer Laser-Apparatur wie auf Seite 1 beschrieben wird der

Farbstoff der Formel

H2\ N0

H5 C2

in einer Konzentration von 5-10 Mol/l in Hexafluorisopropanol gelöst, aus dem Reservoir durch eine Quarzglasküvette gepumpt, die mittels eines N2-Lasers mit einer Wellenlänge von 337 nm bestrahlt wird.
Der Strahl wird mittels einer Zylinderlinse in die Küvette fokussiert. Unter diesen Anregungsbedingungen tritt senkrecht zur Einfallsrichtung des Pumplichtes eine stimulierte Fluoreszenzstrahlung aus dem schwach reflektierenden Fester der Küvette aus.
Die Strahlung des Farbstofflasers wurde in einem Spektralapparat analysiert. Die Wellenlänge der Emission betrug 702 nm. Der zeitliche Verlauf wurde mit Oszillograph und Photodiode beobachtet.
In gleicher Weise/wurde mit den Farbstoffen der folgenden Tabelle Laserlicht erzeugt.
Beispiel R1 R2 Konz.
Mol/Ltr 2 CH3 CH3 3 CH2CH2OH CH3 4 CH2CH2OH C2H5 5 CH2CH2CN CH3 6 CH2CH20H C4H9 7 CH2CH2CN C4H9 10-3 8 CH2CH2Cl CH3 10 9 CH2CH2Cl C2H5 10 C4H9 C4H9 11 CH2C6H5 C2H5 Beispiel 12 In der in Beispiel I beschriebenen Weise wird der Farbstoff

der Formel

f C1

H5C 2\

1 2

H5C2

zur Aussendung stimulierter Fluoreszenzstrahlung angeregt.
Die Wellenlänge der Emission betrug 767 nm.
In gleicher Weise wurde mit den Farbstoffen der folgenden Tabelle Laserlicht erzeugt: Beispiel R1 R2 R3 R4 Konz.
Mol/Ltr 13 CH3 CH3 CH3 CH3 10-3 14 C2H5 C2H5 CH3 CH3 5.10-4 15 CH2CH2OH CH3 CH3 CH3 10 16 CH2CH2°H C2H5 CH3 CH3 10-3 17 C4Hg C4H9 C2H5 C2H5 5.10-4 18 CHzC6H5 C2H5 C2H5 C2H5

Claims

Patentansprüche Farbstofflaser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Farbstofflösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstoff lösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen Formel worin X für den Rest Y für 0 oder AG für ein Anion B für die restlichen Glieder eines gegebenenfalls substituierten Benzol- oder Naphthalinrings D für die restlichen Glieder eines gegebenenfalls substituierten Naphthalinrings R1 für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Cykloalkyl, Aralkyl, einen mit dem Nachbar-C-Atom von B oder D verknüpften Alkylenrest oder zusammen mit R2 und dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Heteroatome als Ringglieder, für die restlichen Glieder eines heterocyclischen Ringsystems und R2 für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aralkyl oder zusammen mit R1 und dem Stickstoffatom an das sie gebunden sind, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Heteroatome als Ringglieder, für die restlichen Glieder eines heterocyclischen Ringsystems stehen, enthält.
2. Farbstofflaser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Farbstoff lösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstoff lösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen Formel worin E durch einen weiteren Benzolring anelliert sein kann, X1 für und Y1 für 0 oder Ae stehen, wobei R3 und R4 für gegebenenfalls einmal durch Hydroxy, Cyan oder Chlor substituiertes C1-C4-Alkyl oder für Benzyl stehen und AO ein Anion bedeutet, enthält.
3. Farbstoff laser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Farbstofflösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstoff lösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen Formel worin X1 und Y1 die in Anspruch 2 angegebene Bedeutung haben, enthält.
4. Farbstofflaser, bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Farbstofflösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstoff lösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen Formel worin X1 und Y1 die in Anspruch 2 angegebene Bedeutung haben, enthält.
5. Farbstofflaser nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung den Farbstoff in einer Konzentration von 10 2 bis 10 4 Mol/Ltr enthält.
6. Verfahren zur Erzeugung einer kohärenten Laseremission in einem Wellenlängenbereich von 650 bis 950 nm unter Verwendung eines Farbstofflasers nach den Ansprüchen 1 - 4.