Fundacja Aleksandra Jabłońskiego

Tradycja nowoczesności >>> Lasery barwnikowe

Spektroskopowe badania chelatów europowych i prace nad laserami barwnikowymi
w Instytucie Fizyki UMK w latach 1971-1975

Opracował prof. dr hab. Tadeusz Marszałek

Rozwój fizyki laserów na świecie sięga początku lat 1960, kiedy to pojawił się najpierw laser na ciele stałym (rubinowy) [l] , a zaraz po tym laser gazowy (na mieszaninie helu z neonem) [2]. Dekada 1960-1970 jest okresem fascynacji nowymi źródłami promieniowania światła - laserami. Objawia się to nie tylko w szybkim rozwoju badań procesów generacji i własności generowanego promieniowania, ale także w intensywnym poszukiwaniu innych materiałów, mogących pełnić rolę tak zwanych ośrodków czynnych w laserze. Wśród wielu kandydatów znalazły się także chelatyroztwory barwników organicznych.

Prace w Instytucie Fizyki UMK – motywacja i organizacja

Zainteresowanie laserami w Instytucie Fizyki UMK, a w szczególności laserami opartymi na zjawisku fotoluminescencji, było naturalną konsekwencją badań, prowadzonych od dawna w tym instytucie. Zjawisko fotoluminescencji, w tym fotoluminescencja roztworów barwników organicznych, było tu jednym z głównych tematów badawczych, zapoczątkowanych przez Prof. Aleksandra Jabłońskiego jeszcze w początkowym okresie istnienia Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i w nieco mniejszym wymiarze jest kontynuowane nadal.

Jest zatem rzeczą naturalną, że już pod koniec lat 60 -tych rozpoczęto tu badania spektroskopowych własności chelatów, a w roku 1971 powołano grupę naukowo-badawczą pod nazwą Zespół Laserów Barwnikowych, do którego oprócz 3 pracowników naukowych pracujących nad chelatami, weszło 5 innych pracowników naukowych, 2 doktorantów i 1pracownik techniczny. Kierownikiem Zespołu został doc. dr hab. Andrzej Bączyński (obecnie profesor). Celem pracy Zespołu były badania (doświadczalne i teoretyczne) nad warunkami generacji, jej optymalizacją, zagadnieniami przestrajania, synchronizacją modów i innymi aspektami pracy lasera, w tym nad problemami konstrukcyjnymi różnych typów laserów barwnikowych. Formalnym okresem działania Zespołu są lata 1971-1975, niektóre jednak prace mieszczące się w tematyce Zespołu były kontynuowane, a nawet rozpoczynane w późniejszych terminach. Dotyczy to w szczególności niektórych prac dyplomowych, głównie doktorskich i magisterskich.

W dziedzinie laserów barwnikowych:

  • opanowano konstrukcje różnych typów laserów barwnikowych strojonych, wzbudzanych lampami błyskowymi oraz laserem azotowym,
  • opracowano metody wyznaczania parametrów drobinowych decydujących o pracy lasera barwnikowego oraz uzyskiwania efektu synchronizacji modów,
  • opracowano kwantowo-mechaniczną teorię laserów barwnikowych.

Badania spektroskopowe chelatów europowych były częścią składową tematu resortowego PAN-3 pod nazwą "Badania strukturalne układów atomowo-drobinowych", koordynowanego przez Instytut Niskich Tempratur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu. Prace w dziedzinie laserów barwnikowych prowadzono w ramach współpracy z Instytutem Elektroniki Kwantowej WAT (problem węzłowy 0.6.2.3). W dziedzinie spektroskopii chelatów europowych opanowano metody syntezy i opracowano metody interpretacji widm chelatów, na podstawie których można było rozszyfrować strukturę elektronową tych kompleksów oraz uzyskać wiadomości o ich budowie przestrzennej.

Co to są chelaty?

Chelaty są to metaloorganiczne związki kompleksowe, które w stanie krystalicznym wykazują silną fluorescencję pod wpływem światła ultrafioletowego. W latach 1964 - 1967 pokładano w chelatach, zwłaszcza chelatach europowych, dużą nadzieję na zastosowanie ich w roli substancji aktywnej w laserach[3-5]. Wiązało się to ze specyficznym mechanizmem fluorescencji chelatu, polegającym na tym, że pochłanianie światła wzbudzającego ma miejsce w molekułach organicznych (ligandach) otaczających jon metalu. Zaabsorbowana energia jest przekazywana do jonu centralnego i tam następuje wyświecanie, zachodzące w przejściach pomiędzy stanami elektronowymi jonu, zmodyfikowanymi ze względu na otoczenie. Mechanizm ten prowadzi do bardzo silnej absorpcji w zakresie fal ultrafioletowych i dużej wydajności kwantowej fotoluminescencji. Widmo absorpcji jest szerokie i ciągłe, a widmo fluorescencji jest liniowe, o rozkładzie zdeterminowanym głównie przez układ kwantowy stanów energetycznych jonu centralnego.

Roztwory barwników organicznych

Barwniki organiczne są związkami organicznymi, przeważnie cyklicznymi, w których atomy węgla połączone są naprzemiennie wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi. Taka struktura wiązań powoduje, że energia pomiędzy podstawowym singletowym stanem elektronowym (S0), a najbliższymi elektronowymi stanami wzbudzonymi, singletowym (S1) i tripletowym (T1) drobiny, jest niewielka i mieści się na ogół w przedziale energii fotonów światła widzialnego.

W roztworach organicznych, w tym także roztworach wodnych, wykazują one własności fotoluminescencji o wydajności zależnej od rodzaju barwnika i fizyko-chemicznych własności rozpuszczalnika. Rozkłady widmowe absorpcji i emisji są z reguły widmami ciągłymi o dużej szerokości, mierzonej w tysiącach cm-l, przy czym maksimum widma emisji przesunięte jest w stronę niskich częstotliwości, w stosunku do maksimum widma absorpcji. Duża szerokość pasm fluorescencji, łatwość dostępu do barwników i niewysokie ceny, w połączeniu z dużą rozmaitością kombinacji barwnik-rozpuszczalnik, dawały potencjalną nadzieję na możliwość realizacji tak zwanego lasera przestrajalnego, to jest lasera w którym w sposób płynny można zmieniać częstotliwość generowanego promieniowania w obrębie pasma emisji użytego roztworu. Biorąc pod uwagę dużą różnorodność możliwych kombinacji barwnik - rozpuszczalnik oznaczało to możliwość generacji na dowolnej częstości w całym obszarze widzialnym i bliskiej podczerwieni, a przy użyciu np. drugiej harmonicznej, także w ultrafiolecie. Problem nie był jednak trywialny na co wskazuje fakt, że pierwsze doniesienia [6,7] o realnych możliwościach realizacji laserów barwnikowych w tym lasera płynnie przestrajalnego [8], pojawiły się w literaturze naukowej dopiero po upływie ok 6 -7 lat, licząc od pierwszych laserów rubinowego i helowo-neonowego. Szczegółowe informacje nt. rozwoju badań laserów barwnikowych można znaleźć we wstępie do monografii [9].

Zespół Laserów Barwnikowych

  • dr hab. Andrzej Bączyński, docent - kierownik Zespołu
  • dr hab. Tadeusz Marszałek, docent
  • dr Janusz Bissinger, adiunkt
  • dr Henryk Waleryś, adiunkt
  • mgr Bernard Ziętek, st. asystent
  • dr Aleksandra Rozpłoch, sp. w zawodzie
  • mgr Michał Dzwonkowski, fizyk
  • mgr Wacław Orzeszko, sp. w zawodzie
  • Mariusz Mełnicki, technik
  • mgr Zdzisław Konefał, doktorant
  • mgr Krzysztof Raczyński, doktorant

Prace dyplomowe

Prace habilitacyjne

  • Andrzej Bączyński, Przejścia interkombinacyjne w drobinach wieloatomowych, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1971
  • Tadeusz Marszałek, Wpływ parametrów drobinowych na pracę lasera barwnikowego, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1974

Prace doktorskie

  • Stanisław Zachara, Badania strukturalne związków kompleksowych europu z dwubenzoilometanem, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1972
  • Aleksandra Rozpłoch, Otrzymywanie i spektroskopowe badania strukturalne dwuketonowych chelatów niektórych metali trójwartościowych ze szczególnym uwzględnieniem chelatów Eu/III/, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1973
  • Zdzisław Konefał, Wpływ detergentów na własności luminescencyjne i laserowe wodnych roztworów barwników organicznych, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1976.
  • Marek Pruski, Formowanie subnanosekundowych impulsów świetlnych w laserze barwnikowym, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1981.
  • Czesław Koepke, Kinetyka lasera barwnikowego w pobliżu progu akcji, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1982.

Prace magisterskie

  • Anna Radacz, Ocena możliwości wyznaczania prawdopodobieństw przejść w drobinach barwnika przy wykorzystaniu "spajkowej" generacji lasera barwnikowego, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1971.
  • Anna Cyprych, Przejścia bezpromieniste w drobinach luminezujących, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1972.
  • Anna Szczotarska, Badania wydajności fluorescencji wodno-detergentowych roztworów rodaminy 6G, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1973.
  • Ewa Kocińska, Badanie "spajków" w laserze barwnikowym, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1976.
  • Teresa Koprowska, Ocena możliwości wyznaczania poprzecznych czasów relaksacji momentów dipolowych drobin luminezujących przy wykorzystaniu zjawiska superradiacji, echa fotonowego i superfluorescencji, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1977.
  • Barbara Kubiak, Migracja energii wzbudzenia w micellarnych roztworach barwników laserujących, Instytut Fizyki UMK, Toruń 1979.
  • [1]  T.H. Maiman, Brit. Commun., Electron., 7, 674 (1960)
  • [2]  A. Javan, w.R. Bennett, D.R. Herriott, Phys. Rev. Letters, 6,106 (1961).
  • [3]  H. Same1son, A. Łempicki, V A. Brophy, C. Brecher, 1. ChemPhys. 40, 2547 (1964).
  • [4]  H. Samelson, V A. Brophy, C. Brecher, A. Łempicki, 1. Chem Phys. 41, 3998 (1964).
  • [5]  R. B. Nehrich, E. 1. Schimitschek, 1. A. Trias, Phys. Letters 12, 198 (1964).
  • [6]  P.P. Sorokin, 1.R. Lankard, JBM 1. Res. Develop., 10, 162 (1966).
  • [7]  EP. Schiller, W. Schmidt, 1. Volze, Appl. Phys. Letters, 9, 306 (1966).
  • [8]  B.H. Soffer, RB. McFarland, Appl. Phys. Letters, 10,266 (1967).
  • [9]  FP. Schäfer, Dye Lasers, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1973.