激光作为光源可以产生各种波长的光束，根据波长的不同可以应用于不同的场景，比如激光扫描、激光切割、肿瘤治疗、可控核聚变的各行各业。但并非每种颜色的光都具有适合特定工作场景的合适属性。当需要其他激光波长时，通常会使用某种波长转换。为了解决这个问题，科学家研究了许多将一种颜色的激光转化成另一种颜色的方法。近日，美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的研究人员成功设计了一种高效便捷且可高度定制的波长转换技术。该研究以“Raman Wavelength Conversion in Ionic Liquids”为题发表在Physical Review Applied上（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.014052）。
图 通过充满特定离子液体的管(照片右侧)发射绿色激光，可以轻易将其转换为橙色激光(左上)，这正是医疗应用长期追求的目标。该技术还可以通过使用不同的离子液体来实现不同的颜色变化。
这种新技术依赖于激光与一种称为“离子液体”的材料的化学键中振动能之间的相互作用。这中液体仅由带正电荷和带负电荷的离子组成，就像普通食盐一样，但它们在室温下可以像粘性流体一样流动。简单地将激光照射到充满特定离子液体的管子中，就可以降低激光的能量并改变其颜色，同时保留激光束的其他重要特性。
布鲁克海文实验室化学家、离子液体专家、论文主要作者James Wishart 表示，通过添加具有特定振动频率的离子，可以设计出一种特定的液体，使得激光按照振动频率进行波长转换。如果想要实现不同的颜色，我们可以替换掉一种离子，放入另一个具有不同振动频率的离子。组分离子可以混合和匹配，以根据需要将激光颜色改变不同程度。”该技术可以实现其他方法难以产生的颜色变化，比如从绿色激光到橙色的转变，这是治疗皮肤和眼部疾病等医疗应用的长期追求。
该技术最初的想法来源于布鲁克海文实验室加速器测试设施（ATF）的一个项目，旨在提高独特的高功率二氧化碳（CO2）激光器的能力。科学家们使用ATF来探索从激光激发粒子加速器到窄波段高亮度X射线源此类的种种创新概念。
“ATF 的 CO2 激光器是世界上唯一的超短脉冲、长波长激光器，有些实验在其他地方没法做，只能在这里完成，”该研究的共同作者、前博士后研究员 Rotem Kupfer 讲到。“将这种激光器从常用的电泵浦改为光泵浦，应该可以提高光束质量和重复率，从而实现更好的实验效果。”
为了设计合适波长的激光用作光泵浦源，研究人员需要改变现有激光器的发光波长。他们采用受激拉曼散射法，利用固体、液体或气体中分子的振动频率。Kupfer解释称，激光将能量转移到分子振动中——构成材料的化学键的挤压和拉伸。之后出射的光子所具有的能量为原始能量与振动能量之差。光子能量越低，波长越长，换言之，激光可以具有不同的颜色。
在气体中，因为处理的是单个分子，所以该过程相当简单。但是这些气体分子的振动频率有限，以至于限制了波长移动的类型，而且气体分子的扩散意味着散射效率低。某种意义上说，具有更紧密分子堆积的固体可以提高效率。但它们更复杂的振动频率使得生长具有所需特性的此类材料较为复杂，制作成本较高。
Wishart表示，液体介于气体和固体之间，且仍是处理单个分子，而且密度更大，因此效率要比其提高，可以说是同时兼顾了气体和固体的优点。对于离子液体，人们可以通过设计分子一伙的所需的振动频率。
离子液体具有光学透明的性质，可以轻易避免背景光的吸收。其较高的粘度避免了声波的激光散射，从而与水等低粘度液体中的变色效应竞争并减弱了变色效应。
当研究人员致力于选择一种理想的离子液体来泵浦CO2激光器时，他们意识到使用离子液体的色偏方法具有更广泛的吸引力。据论文报道，他们描述了该技术在颜色变化中的用途，包括难度很大的绿色到橙色的转变。
Wishart补充道，“目前有很多较为复杂的拉曼转移的方法，但是我们只需要正确选择离子液体，从一端射入激光，就可以得到想要的颜色，不需要任何额外的调整”。其他的颜色偏移的实现方法需要复杂的光学装置或者毒性材料，比如有机染料。另外，有的过程中还会“破坏”分子，但这种新技术只是使分子振动，没有损害。
研究团队相信，该技术还可以通过一系列的改进进一步优化。但总体来说，离子液体的可定制性使其可以作为一个平台，为许多工业和技术项目提供高效便捷的激光波长转换。
