DE2310748A1 - Verfahren zur erzeugung von laserlicht - Google Patents
Verfahren zur erzeugung von laserlichtInfo
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Description
Verfahren zur Erzeugung von Laserlicht
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von
kohärenter monochromatischer Strahlung (Laserlicht) unter Verwendung von In Wasser schwerlöslichen, fluoreszierenden Ver^-
bindungen, deren Δ Δ m-Wert unter 0,300 liegt und deren Molekülsymmetrie entweder Ce oder einer höheren Symmetriegruppe als
Ce angehört, wobei im Falle der Zugehörigkeit zur Symmetries
gruppe CL der Pluorophor ein starres System bilden muß.
s
Das Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß man
die fluoreszierenden Verbindungen in organischen Lösungsmitteln in Konzentrationen zwischen 10 und 10"-* Mol/l mit Licht
genügende Intensität und geeigneter Wellenlänge anregt.
Der Δ L m-Wert, seine Definition und Messung sind aus der
Deutschen Offenlegungsschrift 2 016 470 bekannt. Eine Definition
des Begriffs Pluorophor sowie die in Frage kommenden Systeme findet man beispielsweise in H. Gold, The Chemistry of Synthetic Dyes, Herausgeber K. Venfcataraman, Band 5, S. 535 ff.
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-1-
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Academic Press, New York 1971.
Unter dem Begriff Symmetrie- oder Punktgruppe soll hier das übliche System zur Klassifikation der Symmetrieeigenschaften
von Molekülen verstanden werden, wie es z.B. in der Monographie von H, H, Jaffe, M. Orchin, Symmetrie in der Chemie, Hüthig
Verlag, Heidelberg I967, ausführlich dargestellt ist.
Der Begriff des "starren Systems" ist aus der Erkenntnis abgeleitet,
daß aromatische Moleküle durch die Knoten der p-Orbitale
der am ϊΓ-System beteiligten Atome eine Ebene definieren,
deren Verbiegung oder Verdrillung einen sehr hohen Energieaufwand erfordert. Zwei solcher durch eine Einfachbindung gekoppelter
Systeme lassen sich gegeneinander relativ leicht verdrillen. Um das System in ein starres zu überführen, muß
man eine weitere Verbindung zwischen beiden Teilen des Moleküls herstellen, oder durch Substitution der ortho-Positionen zur
Verknüpfungsstelle die Rotation der beiden Molekülteile gegen- ,
einander behindern. So wird z.B. formal aus Stilben das starre System des Cumarins oder Carbostyrils oder auä dem et, u)-Diphenylbutadien
das 2,5-Diphenylthiophen oder 2,5-Diphenylfuran.
Geeignete fluoreszierende Verbindungen mit einer höheren Symmetrie als C_ sind z.B.: 4,4f-Benzoxazolylstilbene, oC ,ß-Bisbenzoxazolyl-äthylene,
1,5-Bisbenzoxazolylthiophene, die gegebenenfalls noch weiter substituiert sein können. Geeignete
fluoreszierende Verbindungen mit C -Symmetrie sind 3-Aryl-7-
triazolyl-cumarine, oder -carbostyrile, 5-Heteryl-7-triazolylcumarlne
oder -carbostyrile, Naphthalimide oder Pyrenverbindungen, die gegebenenfalls noch weiter substituiert sein können.
Von den Fluorophoren sind die benzoxazolyl- und 2-( 1.2.3)-tri-Le A 14 796
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azolyl-substituierten Fluorophore besonders wertvoll.
Die Verbindungen sollen In 1 1 Wasser zu weniger als 5 g löslich
sein·
Als organische Lösungsmittel kommen unterhalb 20 0C flüssige,
stickstoff- und halogenfreie aliphatische und stickstoff- und halogenfreie, unsubstituierte oder durch Substituenten 1. Ordnung
substituierte aromatische Verbindungen in Betracht.
Bevorzugte aliphatische Lösungsmittel sind solche die Sauerstoff in Form von einer oder mehreren Ester-, Keton- oder
Äthergruppierungen enthalten. Beispielsweise seien genannt Aceton, Ameisensäureäthylester, Butanon-2, Cyclohexan, Cyclohexanon,
Dekalin, Diäthylcarbonat, Diisoamyläther, Dioxan,
Essigester, Essigsäureanhydrid, Glykoldiacetat, Glykolmonomethyläther, Malonsäurediäthylester, Tetrahydrofuran, Methyltert-butyläther·
Geeignete aromatische Lösungsmittel sind z.B. Anisol, Benzol, Styrol, Tetralin, Toluol und Xylol.
Diese Lösungsmittel können allein oder in Mischungen untereinander
oder in Mischungen mit Wasser verwendet werden. Jedoch sind Wasser selbst oder Gemische, die mehr als 40 Volumenprozent
Wasser enthalten, ungeeignet.
Die Löslichkeit der hier beanspruchten Verbindungen in Wasser
ist so gering, daß die gesättigten Lösungen nur noch schwache Fluoreszenz aufweisen und zur Laseremission nicht mehr befähigt
sind.
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Die Konzentration der fluoreszierenden Verbindungen in den laserfähigen Lösungen kann zwischen 10~* und ΙΟ"1 Mol/l
liegen, optimale Ergebnisse liefern aber Konzentrationen von ΙΟ"·5 bis 10 Mol/l. Die Wellenlänge der stimulierten Emission
ist von der Konzentration nahezu unabhängig. Sie ist innerhalb der Emissionsbreite der Fluoreszenz abstimmbar, wenn ein
optisches Element zur Wellenlängenselektion, z.B. ein Beugungsgitter, in den Strahlengang gebracht wird.
Einzelheiten über die Art geeigneter Anregungslichtquelleh,
soweit sie nicht in den nachfolgenden Beispielen angegeben sind, finden sich in LASER-Handbook, Herausgeber F. T. Arecchi
und E. 0. Schulz-Dubois, North-Holland Publishing Co., Amsterdam 1972.
In einer modifizierten Laser-Apparatur nach Schäfer (Angew.
Chem., 82_, 25 (1970) wird eine unverspiegelte Fluoreszenzküvette
(10 χ 10 mm Grundfläche) mit einer 10"^ molaren Lösung
von J-Phenyl^-^S-i^-methyl-S-phenyl^-1/ 2,5-triazolyl-cumarin
in Dioxan als aktives Lasermedium beschickt. Zur Anregung der Farbstofflösung wird die UV-Strahlung eines frequenzverdoppelten
Rubinlasers (Wellenlänge « 247 nm) mit Hilfe einer Zylinderlinse
zu einem schmalen, horizontal liegenden Brennfleck mit den Abmessungen ca. 0,5 χ 8 mm in die Küvette fokussiert. Bei einer
Ausgangsleistung von 1,4 Joule des im "Q-Switch-Betrieb" arbeitenden
Rubinlasers wird in einem 8 cm langen Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall (KDP-Kristall) ein UV-Impuls mit ca. 50 mJ
und einer Halbwertsdauer von 20 nsec erzeugt. Unter diesen Anregungsbedingungen tritt senkrecht zur Einfallsrichtung des
UV-Pumplichts aus den beiden seitlichen Fenstern der Küvette eine stimulierte Fluoreszenzstrahlung in Form eines engbegrenzten
Strahlenbündels von ca. lmm Durchmesser aus. Bei dieser
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Anordnung wirken die planparallelen Glaswände der Fluoreszenzküvette
als Laser-Resonator, dessen Spiegel ein Reflexionsvermögen von ca· 4 % besitzen.
Die Strahlung des Farbstofflasers wurde in einem Spektralapparat
analysiert und in ihrem zeitlichen Verlauf mit einer Korad-Photodiode und einem Tetronix-Oszillographen (Typ 519)
beobachtet. Ferner konnte neben der Anregungsenergie auch die Energie des Farbstofflaser-Impulses mit einem Kalorimeter
(Thermopile) gemessen werden. Sie betrug etwa lmjoule. Die
Wellenlänge der stimulierten Fluoreszenzstrahlung betrug 430 nm bei einer Bandbreite von ca. 3 nm. Die Impuls-Spitzenleistung
des Farbstofflasers betrug 80 KW.
Beispiele 2 - 10;
Man verfährt wie in Beispiel 1 angegeben und verwendet an Stelle des 3-Phenyl-7-^-(4-methyl-5-phenyl)-l,2;3-triazolyl7-cumarins
eine der folgenden Verbindungen in Dioxan in der angegebenen Konzentration gelöst:
Le A \k 796 -5-
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Η»
as
ο (O |
Beispiel | 3 |
00 | ||
co | ||
1 Beispiel | 4 | |
O | ||
ro | Beispiel | 5 |
Beispiel | 6 | |
Beispiel | 7 |
R2
Laserwellen länge (nm)
Laser-Intensität (KW)
Q--
Cl
ei
CH,
CH3
430
436
412
430
425
435
120
75
140
35
120
Konzentration (Mol/Ltr.)
10"
10
10
-3
10
-3
-3
10
-3
Laserwellenlänge (no)
Laser-In- Konzentration tensität (KW) (Mol/Ltr.)
OCH
10"
90
OCH1
10
Beispiel 11
Man verfährt wie in Beispiel 1 angegeben, nur daß an Stelle
des 3-Phenyl-7-^2-(4-nethy 1—5-pnenyI)-1,2,3-triazolylJ-eumarins Dioxanlbsungen folgender Konzentrationen an 3-Phenyl-7-/"2-(5-methyl—6-butoxy)-l,2,3-benztriazolyl7-cumarin eingesetzt werden:
des 3-Phenyl-7-^2-(4-nethy 1—5-pnenyI)-1,2,3-triazolylJ-eumarins Dioxanlbsungen folgender Konzentrationen an 3-Phenyl-7-/"2-(5-methyl—6-butoxy)-l,2,3-benztriazolyl7-cumarin eingesetzt werden:
Konzentration | Laserwellenlänge | Laserintensität |
Mol/l | nm | KW |
.ΙΟ"' | 439 | 16O |
5 · ίο"4 | 439 | 80 |
ΙΟ"* | 438 | 14 |
5 · 10~5 | 437 | 5,5 |
Man erkennt, daß sich die Laserwellenlänge niclrt mit der Konzentration
ändert.
Man verfährt wie in Beispiel 1 angegeben und erhält mit einem UV-Impuls von 70 mJ die in der Tabelle angegebenen Laserleistungen,
wenn an Stelle des Dioxans in Beispiel 1 die
folgenden Lösungsmittel verwendet werden:
folgenden Lösungsmittel verwendet werden:
Aceton | 140 KW |
Äthanol | 45 KW |
Maleinsäurediäthylester | 14O KW |
Kohlensäurediäthylester | 200 KW |
Eisessig | 80 KW |
Benzol | 140 KW |
Toluol | 220 KW |
Methy1-tert.-butylather | 155 KW |
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Claims (4)
- Patentansprüche;siy Verfahren zur Erzeugung von kohärenter monochromatischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß man In Wasser schwer-, lösliche, fluoreszierende Verbindungen, derenAAm-Wert ' unter 0,500 liegt und deren Molekülsymmetrie entweder einer höheren Symmetriegruppe als C0 angehört oder deren Fluorophor, im Falle der Zugehörigkeit der Verbindung zur Symmetriegruppe C , ein starres System bildet, in organischen Lösungsmitteln in Konzentration zwischen 10 und 1(T0 Mol/l mit Licht, genügender Intensität und geeigneter Wellenlänge anregt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als organische Lösungsmittel unterhalb 500C flüssige, stickstoff- und halogenfreie aliphatische und stickstoff- und halogenfreie, unsubstituierte oder durch Substituenten Ordnung substituierte aromatische Verbindungen verwendet.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als fluoreszierende Verbindungen benzoxazolyl- und 2-( (1.2.3·)-triazolylsubstituierte Fluorophore verwendet.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die fluoreszierenden Verbindungen in Konzentrationen zwischen 10 und 10 Mol/l verwendet.Le A 14 796 -9-409837/046?
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