JP2008147394A - Laser medium for dye laser, dye laser oscillating device, and laser light - Google Patents

Laser medium for dye laser, dye laser oscillating device, and laser light Download PDF

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Tomohiro Takagi
智洋 高木
Norio Okubo
典雄 大久保
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye laser medium having a slow deterioration rate without affected by a nonflammable solvent even though the liquid can be cooled in circulation, and to provide a device for oscillating the laser light using it. <P>SOLUTION: The laser medium for the dye laser includes a colloidal dispersion substance of a silica particle including a fluorescent dye. The dye laser oscillating device uses the laser medium. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は色素レーザ用レーザ媒質、色素レーザ発振装置、およびレーザ光に関し、詳しくは蛍光色素を含有するシリカ粒子のコロイド分散物を用いた色素レーザ用レーザ媒質、当該レーザ媒質を用いた色素レーザ発振装置、および当該色素レーザ発振装置から放出されるレーザ光に関する。   The present invention relates to a laser medium for dye laser, a dye laser oscillation apparatus, and laser light, and more specifically, a laser medium for dye laser using a colloidal dispersion of silica particles containing a fluorescent dye, and dye laser oscillation using the laser medium. The present invention relates to an apparatus and laser light emitted from the dye laser oscillation apparatus.

従来、有機蛍光色素をレーザ媒質として用いる色素レーザは発振波長の設計自由度が高いという長所を持つ反面、ランタノイドイオンや希ガス気体原子をレーザ媒質とするタイプのレーザと比較して、色素分子の劣化が励起光による温度の上昇によって進行しやすいとう問題点をかかえていた。この蛍光色素分子の劣化を抑制するため、従来、高出力のタイプのレーザ発振装置では蛍光色素分子を適切な媒体中に分散させてその溶液を循環冷却させる方式がとられている。さらに、特許文献1に記載されているように、蛍光色素溶液をレーザ発振させる部分でジェット噴射させ、励起光にさらされる時間を極力短くすることなども行われている。
また、従来、色素レーザは、基本的にパルス発振を行うものである。CW励起に比べ、パルスレーザでは励起の強さが2桁くらい大きく、このため励起される色素の劣化による製品寿命の短さが色素レーザの問題点となっていた。
Conventionally, dye lasers using organic fluorescent dyes as a laser medium have the advantage of a high degree of freedom in design of the oscillation wavelength, but compared with lasers of the type that use lanthanide ions or rare gas gas atoms as the laser medium, There was a problem that the deterioration was likely to proceed due to the temperature rise caused by the excitation light. In order to suppress the deterioration of the fluorescent dye molecules, conventionally, in a high-power type laser oscillation device, a method is adopted in which the fluorescent dye molecules are dispersed in an appropriate medium and the solution is circulated and cooled. Furthermore, as described in Patent Document 1, a fluorescent dye solution is jet-jetted at a portion where laser oscillation is performed to shorten the time of exposure to excitation light as much as possible.
Conventionally, dye lasers basically perform pulse oscillation. Compared with CW excitation, the intensity of excitation is about two orders of magnitude higher in the pulse laser, and the short product life due to deterioration of the excited dye has been a problem of the dye laser.

上記のレーザ媒質色素の抗劣化対策を実施するにはレーザ媒質が液状でなければならないが、その場合、媒体分子もしくはその変異体が色素分子に対して有害な相互作用を働き、蛍光色素分子の劣化を進める要因となっていた。特に水は、強力な励起光の照射によって酸化力の強いラジカルが発生しやすく、色素分子を安定に分散させる溶媒としてはふさわしくなかった。そのため、特許文献2などで指摘されているように、色素を劣化させる作用の小さな有機溶媒(エタノールなど)を選択する必要があるが、一般に有機溶媒は可燃性で、レーザ発振システムのように高温部を持つ装置内で使用する場合は故障などの原因で火災を引き起こす危険性を持つなどの問題点を有していた。
特開平09−275235号公報 特開平11−204892号公報
In order to implement anti-deterioration measures for the above-mentioned laser medium dye, the laser medium must be in a liquid state. In this case, the medium molecule or a variant thereof has a harmful interaction with the dye molecule, It was a factor that promoted deterioration. In particular, water is not suitable as a solvent for stably dispersing dye molecules because radicals having strong oxidizing power are easily generated by irradiation with strong excitation light. Therefore, as pointed out in Patent Document 2 or the like, it is necessary to select an organic solvent (ethanol or the like) having a small action of deteriorating the dye. Generally, the organic solvent is flammable and has a high temperature like a laser oscillation system. When used in a device having a part, there is a problem that there is a risk of causing a fire due to a failure or the like.
JP 09-275235 A JP-A-11-204892

循環冷却が可能な液状でありながら、用いる溶媒にかかわらず劣化速度の遅い色素レーザ媒質、並びにそれを用いてレーザ光を発振させる装置およびレーザ光を提供する。   Provided are a dye laser medium which is in a liquid state capable of circulating cooling and has a slow deterioration rate regardless of a solvent to be used, and a device and a laser beam that oscillate laser light using the dye laser medium.

本発明は、
(1)蛍光色素を含有するシリカ粒子のコロイド分散物からなる色素レーザ用レーザ媒質、
(2)前記蛍光色素が、フルオレセイン化合物、スチルベン化合物、クマリン化合物、ローダミン化合物、オキサジン化合物、DOTC化合物、またはHITC化合物であることを特徴とする(1)項記載の色素レーザ用レーザ媒質、
(3)分散媒として水又は水性溶媒(水溶性有機溶媒と水の混合液)を用いたことを特徴とする(1)または(2)項記載の色素レーザ用レーザ媒質、
(4)前記シリカ粒子の平均粒径が10nm以上100nm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質、
(5)前記シリカ粒子が色素を有するコアと色素を有さないシェルからなるコア−シェル構造を持つことを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質、
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質を用いる色素レーザ発振装置、および
(7)(6)記載の装置から放出されたレーザ光
を提供するものである。
The present invention
(1) a laser medium for a dye laser comprising a colloidal dispersion of silica particles containing a fluorescent dye;
(2) The laser medium for a dye laser according to (1), wherein the fluorescent dye is a fluorescein compound, a stilbene compound, a coumarin compound, a rhodamine compound, an oxazine compound, a DOTC compound, or a HITC compound,
(3) The laser medium for a dye laser according to (1) or (2), wherein water or an aqueous solvent (mixture of water-soluble organic solvent and water) is used as the dispersion medium,
(4) The laser medium for a dye laser according to any one of (1) to (3), wherein the silica particles have an average particle diameter of 10 nm to 100 nm,
(5) The laser for a dye laser according to any one of (1) to (4), wherein the silica particles have a core-shell structure including a core having a dye and a shell having no dye. medium,
(6) A dye laser oscillation device using the laser medium for a dye laser according to any one of (1) to (5), and laser light emitted from the device according to (7) (6) It is.

本発明の色素レーザ用レーザ媒質は、循環冷却が可能な液状でありながら、溶媒の影響を受けることなく、劣化速度を抑制することができる。また、分散媒として低コストかつ無害で不燃性の水を用いることができる。また、用いる色素分子の種類により、400〜950nmの全Si感度波長域(可視+近赤外)を網羅することができる。また、本発明の色素レーザ発振装置は、用いられる色素の劣化が抑えられ、製品の寿命を長くすることができる。
本発明のレーザ光は、可視光波長域を網羅可能なので、光学測定用の光源を始め、視覚的な装飾の光源やホログラム撮影用光源として好適に利用することができる。
The laser medium for a dye laser of the present invention can suppress the deterioration rate without being influenced by the solvent, while being in a liquid state that can be circulated and cooled. In addition, low-cost, harmless and nonflammable water can be used as the dispersion medium. Further, the entire Si sensitivity wavelength region (visible + near infrared) of 400 to 950 nm can be covered depending on the type of dye molecule used. Further, the dye laser oscillation device of the present invention can suppress the deterioration of the dye used, and can extend the life of the product.
Since the laser beam of the present invention can cover the visible light wavelength range, it can be suitably used as a light source for optical decoration, a light source for visual decoration, and a light source for hologram photography.

本発明色素レーザ用レーザ媒質は蛍光色素を含有するシリカ粒子のコロイド分散物からなるものである。
色素レーザ用の蛍光色素としては、特に限定されるものではないが、例えば、フルオレセイン化合物、スチルベン化合物、クマリン化合物、ローダミン化合物、オキサジン化合物、DOTC(ジエチルオキサトリカルボシアニンイオダイド)化合物、HITC(ヘキサメチルインドトリカルボシアニンイオダイド)化合物などが挙げられる。
The laser medium for the dye laser of the present invention comprises a colloidal dispersion of silica particles containing a fluorescent dye.
Although it does not specifically limit as fluorescent dye for dye laser, For example, a fluorescein compound, a stilbene compound, a coumarin compound, a rhodamine compound, an oxazine compound, a DOTC (diethyl oxatricarbocyanine iodide) compound, HITC (hexa) Methylindotricarbocyanine iodide) compounds and the like.

本発明において、「シリカ粒子のコロイド分散物」とは、シリカ(二酸化ケイ素)を主成分(通常50質量%以上の含有量)とするシリカ粒子がコロイド粒子として、液体にコロイド分散しているものである。また、本発明において「コロイドシリカ粒子」とは、上記シリカ粒子のコロイド分散物に含まれるコロイド粒子のことを意味するものである。本発明においては、コロイドシリカ粒子が蛍光色素を含有するものである。本発明において、コロイドシリカ粒子は、好ましくは蛍光物質とシリカ成分とが化学的に結合もしくは吸着してなる粒子である。コロイドシリカ粒子においては、蛍光物質がコロイドシリカ粒子の内部から表面まで前記コロイドシリカ粒子全体に分布していても良いし、吸光物質とシリカ成分とが化学的に結合もしくは吸着してなる粒子を、シリカ成分で被覆したコア−シェル構造を有していても良く、好ましくは色素を有するコアと色素を有さないシェルからなるコア−シェル構造を有しているものである。   In the present invention, “a colloidal dispersion of silica particles” refers to those in which silica particles containing silica (silicon dioxide) as a main component (usually a content of 50% by mass or more) are colloidally dispersed in a liquid as colloidal particles. It is. In the present invention, the “colloidal silica particles” mean colloidal particles contained in the colloidal dispersion of silica particles. In the present invention, the colloidal silica particles contain a fluorescent dye. In the present invention, the colloidal silica particles are preferably particles formed by chemically binding or adsorbing a fluorescent substance and a silica component. In the colloidal silica particles, the fluorescent material may be distributed throughout the colloidal silica particles from the inside to the surface of the colloidal silica particles, or particles formed by chemically binding or adsorbing the light-absorbing material and the silica component, It may have a core-shell structure coated with a silica component, and preferably has a core-shell structure consisting of a core having a dye and a shell having no dye.

本発明において、好ましくはコロイドシリカ粒子中には蛍光物質が固定化された状態にあり、コロイドシリカ粒子当たり蛍光色素分子が10から10個以上含まれることが好ましい。 In the present invention, the colloidal silica particles are preferably in a state in which a fluorescent substance is immobilized, and it is preferable that 10 1 to 10 3 or more fluorescent dye molecules are contained per colloidal silica particle.

本発明においては、通常、分散媒分子がシリカ粒子内部に浸透してくることはなく、分散媒が色素分子に悪影響を与えることはない。したがって最も扱いやすい分散媒を選択することができる。好ましくは水または有機溶媒を用いるものであり、分散媒として、さらに好ましくは低コストかつ無害で不燃性である水であり、特に好ましくは純水である。
また、有機溶媒としては、従来の色素レーザ媒質の媒体として用いられている任意の有機溶媒を用いることができるが、特に、水溶性有機溶媒と水を混合した水性溶媒を用いるのが望ましい。例えば、エチルアルコール、メチルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、アセトン等の水溶性有機溶媒を用いる場合は、有機溶媒を水で火災などの危険性のないレベルまで希釈して用いることができる。
本発明においては、シリカ粒子がコロイドの形で液中分散していれば、既存の色素レーザシステム用循環冷却機構において特別な設計変更することなく用いることができる。シリカ粒子の分散方法は特に限定されるものでなく、従来用いられている任意の分散方法を用いることができる。
In the present invention, the dispersion medium molecules usually do not penetrate into the silica particles, and the dispersion medium does not adversely affect the dye molecules. Therefore, the most easy-to-handle dispersion medium can be selected. Water or an organic solvent is preferably used, and the dispersion medium is more preferably water that is low-cost, harmless and nonflammable, and particularly preferably pure water.
As the organic solvent, any organic solvent used as a medium of a conventional dye laser medium can be used. In particular, it is desirable to use an aqueous solvent obtained by mixing a water-soluble organic solvent and water. For example, when a water-soluble organic solvent such as ethyl alcohol, methyl alcohol, ethylene glycol monomethyl ether, or acetone is used, the organic solvent can be diluted with water to a level at which there is no risk of fire or the like.
In the present invention, if the silica particles are dispersed in the liquid in the form of a colloid, they can be used in the existing circulation cooling mechanism for a dye laser system without any special design change. The method for dispersing the silica particles is not particularly limited, and any conventionally used dispersion method can be used.

本発明に用いられるコロイドシリカ粒子の平均粒径は、好ましくは10nm以上100nm以下である。コロイドシリカ粒子の粒径が100nm以下であれば可視光波長帯の励起光もしくは蛍光に対するレイリー散乱が小さく、通常光損失によるレーザ発振効率の低下が問題になることもなく好ましい。また、シリカ粒子の平均粒径の下限値は、10nm以上であることが好ましい。その理由は、シリカ粒子の粒径が小さくなりすぎると、粒子の分散性が低下し、粒子同士が凝集しやすくなり、凝集による光損失が大きくなるからである。
また、上記のレイリー散乱の強度は、例えば理化学辞典(第5版)の[レイリー散乱]の項に示されているように、
The average particle diameter of the colloidal silica particles used in the present invention is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If the particle diameter of the colloidal silica particles is 100 nm or less, Rayleigh scattering with respect to excitation light or fluorescence in the visible light wavelength band is small, and it is preferable that there is no problem of a decrease in laser oscillation efficiency due to normal light loss. Moreover, it is preferable that the lower limit of the average particle diameter of a silica particle is 10 nm or more. The reason is that when the particle size of the silica particles is too small, the dispersibility of the particles is reduced, the particles are easily aggregated, and the light loss due to aggregation is increased.
In addition, the intensity of the above Rayleigh scattering is, for example, as shown in the [Rayleigh scattering] section of the Riken dictionary (5th edition),

で与えることができるからである。ここでIは散乱光強度、Iは入射光強度、θは散乱角、Nは単位体積あたりの散乱体の数、αは散乱体の分極率、γは散乱体群からの観測点までの距離、λは光の波長である。散乱体が体積Vの場合 Because it can be given by. Here, I is the scattered light intensity, I 0 is the incident light intensity, θ is the scattering angle, N is the number of scatterers per unit volume, α is the polarizability of the scatterers, and γ is the observation point from the scatterer group. The distance, λ, is the wavelength of light. When the scatterer has volume V

で与えられるので、レイリー散乱の強度は、散乱体の大きさ(粒径)の6乗に比例する。従って、光損失によるレーザ発振効率の低下を抑制する観点で見ると、粒径はより小さいほうが好ましい。図4に、平均粒径が異なる0.2mg/mlのシリカコロイド水溶液の光散乱スペクトルを示す。図4において、曲線31は平均粒径50nm、曲線32は平均粒径100nm、曲線33は平均粒径200nmの、それぞれシリカ粒子が分散されたシリカコロイド水溶液の光散乱スペクトルである。図4に示されるように、シリカ粒子の粒径が小さくなるほど光損失が少なくなっていることがわかる。 Therefore, the intensity of Rayleigh scattering is proportional to the sixth power of the size (particle diameter) of the scatterer. Therefore, from the viewpoint of suppressing a decrease in laser oscillation efficiency due to light loss, it is preferable that the particle size is smaller. FIG. 4 shows a light scattering spectrum of 0.2 mg / ml silica colloid aqueous solutions having different average particle diameters. In FIG. 4, curve 31 is a light scattering spectrum of an aqueous silica colloid solution in which silica particles are dispersed, each having an average particle diameter of 50 nm, curve 32 is an average particle diameter of 100 nm, and curve 33 is an average particle diameter of 200 nm. As shown in FIG. 4, it can be seen that the light loss decreases as the particle size of the silica particles decreases.

ただし、粒径が小さくなると分散媒分子との相互作用を持つ粒子表面部(好ましくは、色素分子の大きさ程度の厚さとする)の比率が高まってしまい、分散媒分子の影響による色素劣化の影響が大きくなってしまう。このため、蛍光色素を含有するシリカ粒子を合成した後に粒子表面に色素を含有しないシリカのシェル層を形成し、コア−シェル構造とすることで表面部に含有している色素分子と溶媒分子との相互作用を絶つことが好ましい。   However, when the particle size is reduced, the ratio of the particle surface portion (preferably having a thickness of about the size of the dye molecule) that interacts with the dispersion medium molecule increases, and the deterioration of the dye due to the influence of the dispersion medium molecule occurs. The effect will be greater. For this reason, after synthesizing the silica particles containing the fluorescent dye, a silica shell layer not containing the dye is formed on the particle surface, and the dye molecule and the solvent molecule contained in the surface portion are formed by forming a core-shell structure. It is preferable to break the interaction.

従来、色素分子がそのまま分散媒中に分散した状態ではエネルギー遷移という現象が発生してしまうために蛍光波長の異なる複数の色素が混在していると一般に最も長波長の蛍光しか取り出せなかったが、本発明においては、色素分子をコロイドシリカ粒子に閉じ込めることでエネルギー遷移の発生を抑制することができ、異なる波長の蛍光を同時に取り出すことが可能となる。従って、本発明のレーザ媒質を用いることで、単一の共振器系で複数波長のレーザ発振が実現されることになり、波長が十分離れた組み合わせ、例えば、スチルベン、クマリン、ローダミンの組み合わせなどで得られる3原色の蛍光をレーザ発振させれば、単一共振器で白色レーザを発振させることも可能となる。   Conventionally, when a dye molecule is dispersed in a dispersion medium as it is, a phenomenon called energy transition occurs, so when a plurality of dyes having different fluorescence wavelengths are mixed, generally only the longest wavelength fluorescence can be extracted. In the present invention, the energy transition can be suppressed by confining the dye molecules in the colloidal silica particles, and fluorescence with different wavelengths can be extracted simultaneously. Therefore, by using the laser medium of the present invention, laser oscillation of a plurality of wavelengths can be realized with a single resonator system. For example, a combination of sufficiently separated wavelengths such as a combination of stilbene, coumarin, and rhodamine. If the three primary colors of fluorescence obtained are laser-oscillated, it becomes possible to oscillate a white laser with a single resonator.

本発明に用いられるコロイドシリカ粒子は、例えば、蛍光色素とシラン化合物とを反応させ、共有結合、イオン結合その他の化学的に結合もしくは吸着させて得られた生成物に1又は2種以上のシラン化合物を重合させることにより調製することができる。本発明に用いられるコロイドシリカ粒子の調製法として、N−ヒドロキシスクシンイミド(NHS)エステル基、マレイミド基、イソシアナート基、イソチオシアナート基、アルデヒド基、パラニトロフェニル基、ジエトキシメチル基、エポキシ基、シアノ基等の活性基を有する前記蛍光色素と、それら活性基と対応して反応する置換基(例えば、アミノ基、水酸基、チオール基)を有するシランカップリング剤とを反応させ、共有結合させて得られた生成物に1又は2種以上のシラン化合物を重合させることにより調製するのが好ましい。   The colloidal silica particles used in the present invention include, for example, one or more silanes on a product obtained by reacting a fluorescent dye with a silane compound and covalently bonding, ionic bonding or other chemical bonding or adsorption. It can be prepared by polymerizing the compound. As a method for preparing the colloidal silica particles used in the present invention, N-hydroxysuccinimide (NHS) ester group, maleimide group, isocyanate group, isothiocyanate group, aldehyde group, paranitrophenyl group, diethoxymethyl group, epoxy group The fluorescent dye having an active group such as a cyano group is reacted with a silane coupling agent having a substituent (for example, an amino group, a hydroxyl group, or a thiol group) that reacts corresponding to the active group to form a covalent bond. It is preferable to prepare the product obtained by polymerizing one or more silane compounds.

例えば、NHSエステル基を持つ蛍光色素分子は、蛍光色素分子とNHSとのエステル化反応により調製することができる。但し市販のものを入手することも可能である。前記アミノ基を有するシランカップリング剤としては、特に制限されないが、例えば、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)、3−[2−(2−アミノエチルアミノ)エチルアミノ]プロピル−トリエトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシランを挙げることができる。中でも、APSが好ましい。   For example, a fluorescent dye molecule having an NHS ester group can be prepared by an esterification reaction between the fluorescent dye molecule and NHS. However, it is also possible to obtain a commercially available product. The silane coupling agent having an amino group is not particularly limited, and examples thereof include γ-aminopropyltriethoxysilane (APS) and 3- [2- (2-aminoethylamino) ethylamino] propyl-triethoxysilane. N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane. Of these, APS is preferable.

次いで前記蛍光色素/シランカップリング剤複合化合物をシリカ化合物と反応さてシリカ粒子を作成することが好ましい。前記シリカ化合物としては、特に制限はないが、テトラエトキシシラン(TEOS)、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPS)、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)、3−チオシアナトプロピルトリエトキシシラン、3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−イソシアナトプロピルトリエトキシシラン、及び3−[2−(2−アミノエチルアミノ)エチルアミノ]プロピル−トリエトキシシランを挙げることができる。中でも、TEOS、MPS又はAPSが好ましい。   Next, it is preferable to produce silica particles by reacting the fluorescent dye / silane coupling agent composite compound with a silica compound. The silica compound is not particularly limited, but includes tetraethoxysilane (TEOS), γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPS), γ-mercaptopropyltriethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane (APS), 3 -Thiocyanatopropyltriethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltriethoxysilane, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, and 3- [2- (2-aminoethylamino) ethylamino] propyl-triethoxysilane be able to. Among these, TEOS, MPS, or APS is preferable.

上記により合成されたシリカ粒子を含む溶液を遠心分離や限外ろ過によって洗浄し、溶質である各種シランカップリング剤(蛍光色素/シランカップリング剤複合化合物を含む)を除去して得られたシリカ粒子を、水などの溶媒に常法により分散させ本発明のレーザ媒質としても良いが、前述のように、当該シリカ粒子を、蛍光色素を加えずに再度シリカ原料のシランカップリング剤を投入して合成を再開し、粒子の表面付近に位置する蛍光色素分子を保護するシリカのシェル構造を形成させた、コア−シェル構造のシリカ粒子を作成してコロイドシリカ粒子として用いることが好ましい。このときのシランカップリング剤として、TEOS、MPS又はAPSが好ましい。図5に、本発明のレーザ媒質に用いられるコア−シェル構造を有するコロイドシリカ粒子の一例の走査型電子顕微鏡写真を示す。図5において示されるコロイドシリカ粒子は、平均粒径30nmのシリカナノコロイド粒子であることが示されている。   Silica obtained by washing the solution containing silica particles synthesized as described above by centrifugation or ultrafiltration to remove various silane coupling agents (including fluorescent dye / silane coupling agent composite compounds) as solutes The particles may be dispersed in a solvent such as water by a conventional method to form the laser medium of the present invention. However, as described above, the silica particles are again charged with a silane coupling agent of silica raw material without adding a fluorescent dye. Thus, it is preferable to resume the synthesis and prepare a silica particle having a core-shell structure in which a silica shell structure that protects fluorescent dye molecules located near the surface of the particle is formed, and use it as colloidal silica particles. As the silane coupling agent at this time, TEOS, MPS or APS is preferable. FIG. 5 shows a scanning electron micrograph of an example of colloidal silica particles having a core-shell structure used in the laser medium of the present invention. The colloidal silica particles shown in FIG. 5 are silica nanocolloid particles having an average particle size of 30 nm.

次に本発明の色素レーザ発振装置について説明する。本発明の色素レーザ発振装置は、上記の蛍光色素を含有するシリカコロイド溶液からなる色素レーザ用レーザ媒質を用いるものであれば特に限定されるものではないが、蛍光色素の光吸収帯域に合わせたレーザ光を励起光源とする場合は、図3に示されるようなリング共振器構造のレーザ発振装置を用いるのが望ましい。図3に示されるレーザ発振装置においては、共振器が4つのミラーM(11)、M(12)、M(13)、M(14)で構成されている。ここでは、アルゴンイオンレーザ15からミラー16で反射されたレーザ光によって励起されたレーザ媒質17の流れが上記4つのミラーM(11)〜M(14)で構成される共振光学系の途上に位置しており、共振しているレーザ光の一部が反射率を下げられているミラーM(14)を透過し、外部へと取り出される。共振光学系の途上に光アイソレータ18を配置し、光共振を一方向に限定して、レーザ光の取り出し効率を高めている。また、共振光学系の途上に、薄いファブリ‐ペローエタロン19、厚いファブリ‐ペローエタロン20、及び複屈折フィルタ21からなるキャビティ型共振器を配置し、マルチモード発振を抑制してレーザ光を単一モード発振させている。さらに、共振光学系の途上に一対の透明誘電体板22を配置し、おのおのの光軸に対する角度をミラー対称的に変化させることで共振器長を変化させることができ、レーザの発振波長を連続的に変化させることを可能としている。また、図3で黒矢印は光の流れを示す。 Next, the dye laser oscillation apparatus of the present invention will be described. The dye laser oscillation device of the present invention is not particularly limited as long as it uses a laser medium for a dye laser made of a silica colloid solution containing the above-described fluorescent dye, but it is adapted to the light absorption band of the fluorescent dye. When laser light is used as an excitation light source, it is desirable to use a laser oscillator having a ring resonator structure as shown in FIG. In the laser oscillation device shown in FIG. 3, the resonator includes four mirrors M 1 (11), M 2 (12), M 3 (13), and M 4 (14). Here, the flow of the laser medium 17 excited by the laser beam reflected by the mirror 16 from the argon ion laser 15 is in the middle of the resonance optical system constituted by the four mirrors M 1 (11) to M 4 (14). A part of the resonating laser beam is transmitted through the mirror M 4 (14) whose reflectance is lowered, and is extracted to the outside. An optical isolator 18 is disposed in the middle of the resonance optical system, and the optical resonance is limited to one direction to improve the laser light extraction efficiency. In addition, a cavity type resonator composed of a thin Fabry-Perot etalon 19, a thick Fabry-Perot etalon 20, and a birefringent filter 21 is disposed in the middle of the resonant optical system, and multimode oscillation is suppressed to provide a single laser beam. The mode is oscillating. Furthermore, by arranging a pair of transparent dielectric plates 22 in the middle of the resonant optical system and changing the angle with respect to each optical axis in a mirror-symmetric manner, the resonator length can be changed, and the laser oscillation wavelength can be made continuous. It is possible to make changes. In FIG. 3, black arrows indicate the flow of light.

本発明の色素レーザ用レーザ媒質は、高濃度コロイド分散物(分散液)の形で密封されたカートリッジに入れられて保存・販売されることが好ましい。また、保存時の光退色を抑制するためにカートリッジは遮光性の材質であることが好ましい。
ユーザーが本発明の色素レーザ用レーザ媒質を使用する際の一例を説明する。まず、レーザ発振装置のタンクを純水で満たし、その中にカートリッジから取り出したコロイド分散液を添加する。しばらくレーザ媒質溶液を循環させることでコロイド分散液をよく撹拌させた後に、励起光を照射してレーザ発振させる。色素の退色や別の色素を用いるためにレーザ媒質を取り替える場合は、まず装置のタンクを満たしている取り替えられるべきコロイド分散液を抜き取り、次に装置内に純水を循環させて装置内のコロイド粒子を洗浄・除去し、最後に新しい色素コロイド分散液を前記の方法で装置内に循環させる。これにより、装置からレーザ光を放出することができる。本発明のレーザ光は、また、色素分子の種類により、400〜950nmの全Si感度波長域(可視+近赤外)を網羅することができる。
The laser medium for a dye laser of the present invention is preferably stored and sold in a sealed cartridge in the form of a high-concentration colloidal dispersion (dispersion). Further, the cartridge is preferably made of a light-shielding material in order to suppress light fading during storage.
An example when the user uses the laser medium for dye laser of the present invention will be described. First, the tank of the laser oscillation device is filled with pure water, and the colloidal dispersion liquid taken out from the cartridge is added therein. After the laser medium solution is circulated for a while to sufficiently agitate the colloidal dispersion, laser light is emitted by irradiating excitation light. When replacing the laser medium to discolor the dye or to use another dye, first remove the colloidal dispersion to be replaced filling the tank of the device, and then circulate pure water through the device to circulate the colloid in the device. The particles are washed and removed, and finally a new pigment colloid dispersion is circulated in the apparatus in the manner described above. Thereby, a laser beam can be emitted from the apparatus. The laser beam of the present invention can cover the entire Si sensitivity wavelength region (visible + near infrared) of 400 to 950 nm depending on the type of dye molecule.

以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to this.

実施例1
2mgのNHS−フルオレセインと1μlのAPSを、1mlのN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)中で、室温、1時間反応を行い、フルオレセイン色素/シランカップリング剤複合体溶液を得た。
フルオレセイン/シランカップリング剤複合体溶液40μlと、14%アンモニア水溶液0.8ml、エタノール3.2ml、TEOS40μlを加え、室温で、24時間反応を行った。
Example 1
2 mg of NHS-fluorescein and 1 μl of APS were reacted in 1 ml of N, N-dimethylformamide (DMF) at room temperature for 1 hour to obtain a fluorescein dye / silane coupling agent complex solution.
Fluorescein / silane coupling agent complex solution 40 μl, 14% aqueous ammonia solution 0.8 ml, ethanol 3.2 ml and TEOS 40 μl were added and reacted at room temperature for 24 hours.

反応液を10,000×gで60分間遠心分離を行い、上清を除去した。同様の手法でエタノールと純水による洗浄を2回ずつ行い、TEOS、フルオレセイン/シランカップリング剤複合体及び有機溶媒を除去して平均粒径60nmのフルオレセイン含有シリカ粒子を得た。このフルオレセイン含有シリカ粒子1mg相当(乾燥重量換算)を10mlの水に分散させて、シリカ粒子のコロイド分散液を作成した。作成したシリカコロイド分散液について時間による光ルミネッセンス(PL)強度の変化を測定した。結果を図1に示す。合わせて、フルオレセイン分子の1μM(Mはmol/l)水溶液の光ルミネッセンス強度の時間による変化を測定し、図1に示した。図1では、横軸を経過時間とし、開始時の光ルミネッセンス(PL)強度を1とした場合のPL強度比を示すものである。曲線1はシリカコロイド水溶液を、曲線2は分子水溶液のそれぞれ光退色特性を示す。   The reaction solution was centrifuged at 10,000 × g for 60 minutes, and the supernatant was removed. Washing with ethanol and pure water was performed twice in the same manner to remove TEOS, the fluorescein / silane coupling agent complex, and the organic solvent to obtain fluorescein-containing silica particles having an average particle diameter of 60 nm. A colloidal dispersion of silica particles was prepared by dispersing 1 mg of the fluorescein-containing silica particles (in terms of dry weight) in 10 ml of water. A change in photoluminescence (PL) intensity with time was measured for the prepared silica colloid dispersion. The results are shown in FIG. In addition, the time-dependent change in the photoluminescence intensity of a 1 μM (M is mol / l) aqueous solution of fluorescein molecules was measured and shown in FIG. FIG. 1 shows the PL intensity ratio when the horizontal axis is the elapsed time and the photoluminescence (PL) intensity at the start is 1. Curve 1 shows the photobleaching property of the silica colloid aqueous solution, and curve 2 shows the photobleaching property of the molecular aqueous solution.

図1の曲線2に示されるように、フルオレセイン分子水溶液は耐光退色性が劣り、従来は、色素レーザ用のレーザ媒質としては用いられなかった。これに対して、シリカコロイド分散液は、曲線1に示されるように耐光退色性に優れ、図3に示すリング共振器構造のレーザ発振装置のレーザ媒質として用いたところ波長520nmレーザ光を放出することができた。   As shown by the curve 2 in FIG. 1, the aqueous fluorescein molecule solution has poor light fading resistance and has not been conventionally used as a laser medium for a dye laser. On the other hand, the silica colloid dispersion liquid has excellent light fading resistance as shown by curve 1 and emits laser light having a wavelength of 520 nm when used as a laser medium of a laser resonator having a ring resonator structure shown in FIG. I was able to.

実施例2
2.23mgのNHS−ローダミン(TAMRA)と1μlのAPSを、1mlのN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)中で、室温、1時間反応を行い、ローダミン/シランカップリング剤複合体溶液を得た。
ローダミン/シランカップリング剤複合体溶液40μlと、14%アンモニア水溶液0.8ml、エタノール3.2ml、TEOS40μlを加え、室温で、24時間反応を行った。
Example 2
2.23 mg NHS-rhodamine (TAMRA) and 1 μl of APS were reacted in 1 ml of N, N-dimethylformamide (DMF) at room temperature for 1 hour to obtain a rhodamine / silane coupling agent complex solution. .
Rhodamine / silane coupling agent complex solution (40 μl), 14% aqueous ammonia solution (0.8 ml), ethanol (3.2 ml), and TEOS (40 μl) were added, and the reaction was performed at room temperature for 24 hours.

反応液を10,000×gで60分間遠心分離を行い、上清を除去した。同様の手法でエタノールと純水による洗浄を2回ずつ行い、TEOS、ローダミン/シランカップリング剤複合体及び有機溶媒を除去して平均粒径60nmのフルオレセイン含有シリカ粒子を得た。このフルオレセイン含有シリカ粒子1mg相当(乾燥重量換算)を10mlの水に分散させて、シリカ粒子のコロイド分散液を作成した。作成したシリカコロイド分散液について時間による光ルミネッセンス(PL)強度の変化を測定した。結果を図2に示す。合わせて、ローダミンB分子の1μM(Mはmol/l)水溶液の光ルミネッセンス強度の時間による変化を測定し、図2に示した。図2で、横軸を経過時間とし、開始時の光ルミネッセンス(PL)強度を1とした場合のPL強度比を示すものである。曲線3はシリカコロイド水溶液、曲線4はローダミンB分子水溶液のそれぞれ光退色特性を示す。   The reaction solution was centrifuged at 10,000 × g for 60 minutes, and the supernatant was removed. Washing with ethanol and pure water was performed twice in the same manner to remove TEOS, rhodamine / silane coupling agent complex and organic solvent to obtain fluorescein-containing silica particles having an average particle diameter of 60 nm. A colloidal dispersion of silica particles was prepared by dispersing 1 mg of the fluorescein-containing silica particles (in terms of dry weight) in 10 ml of water. A change in photoluminescence (PL) intensity with time was measured for the prepared silica colloid dispersion. The results are shown in FIG. In addition, the change with time of the photoluminescence intensity of a 1 μM (M is mol / l) aqueous solution of rhodamine B molecules was measured and is shown in FIG. FIG. 2 shows the PL intensity ratio when the horizontal axis is the elapsed time and the photoluminescence (PL) intensity at the start is 1. Curve 3 shows the photobleaching characteristics of the silica colloid aqueous solution and curve 4 shows the rhodamine B molecule aqueous solution.

図2の曲線3に示されるように、シリカコロイド分散液は分子水溶液に比べ、開始40分を経過して以降もPL強度比は耐光退色性に優れ、図3に示すリング共振器構造のレーザ発振装置のレーザ媒質として用いたところ波長580nmレーザ光を放出することができた。   As shown by curve 3 in FIG. 2, the colloidal silica dispersion is excellent in light fading resistance even after 40 minutes from the start of the molecular aqueous solution, and the laser having the ring resonator structure shown in FIG. When used as a laser medium of the oscillation device, a laser beam having a wavelength of 580 nm could be emitted.

実施例1の色素レーザ用レーザ媒質の光退色性を示すグラフである。3 is a graph showing the photobleaching property of the laser medium for the dye laser of Example 1. 実施例2の色素レーザ用レーザ媒質の光退色性を示すグラフである。6 is a graph showing the photobleaching property of a laser medium for a dye laser of Example 2. 本発明のレーザ発振装置の一例の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of an example of the laser oscillation apparatus of this invention. シリカコロイド分散液の光散乱スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the light-scattering spectrum of a silica colloid dispersion liquid. 本発明の色素レーザ用レーザ媒質に用いられるコロイドシリカ粒子の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the colloidal silica particle used for the laser medium for dye lasers of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 フルオレセイン含有シリカコロイド分散液からなる色素レーザ用レーザ媒質のPL強度比を示す曲線
2 フルオレセイン分子水溶液のPL強度比を示す曲線
3 ローダミン含有シリカコロイド分散液からなる色素レーザ用レーザ媒質のPL強度比を示す曲線
4 ローダミン分子水溶液のPL強度比を示す曲線
11 ミラーM
12 ミラーM
13 ミラーM
14 ミラーM
15 アルゴンイオンレーザ
16 ミラー
17 レーザ媒質
18 アイソレータ
19 薄いファブリ‐ペローエタロン
20 厚いファブリ‐ペローエタロン
21 複屈折フィルタ
22 透明誘電体板
31 平均粒径50nmのシリカコロイド分散液の光散乱スペクトル
32 平均粒径100nmのシリカコロイド分散液の光散乱スペクトル
33 平均粒径200nmのシリカコロイド分散液の光散乱スペクトル
1 Curve showing the PL intensity ratio of a laser medium for dye laser comprising a fluorescein-containing silica colloid dispersion liquid 2 Curve showing the PL intensity ratio of a fluorescein molecular aqueous solution 3 PL intensity ratio of a laser medium for dye laser comprising a rhodamine-containing silica colloid dispersion liquid Curve 4 showing the PL intensity ratio of the rhodamine molecule aqueous solution 11 Mirror M 1
12 mirror M 2
13 Mirror M 3
14 Mirror M 4
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Argon ion laser 16 Mirror 17 Laser medium 18 Isolator 19 Thin Fabry-Perot etalon 20 Thick Fabry-Perot etalon 21 Birefringence filter 22 Transparent dielectric plate 31 Light scattering spectrum of silica colloid dispersion liquid with average particle diameter of 50 nm 32 Average particle diameter Light scattering spectrum of 100 nm silica colloid dispersion liquid 33 Light scattering spectrum of silica colloid dispersion liquid with average particle diameter of 200 nm

Claims (7)

蛍光色素を含有するシリカ粒子のコロイド分散物からなる色素レーザ用レーザ媒質。   A laser medium for a dye laser comprising a colloidal dispersion of silica particles containing a fluorescent dye. 前記蛍光色素が、フルオレセイン化合物、スチルベン化合物、クマリン化合物、ローダミン化合物、オキサジン化合物、DOTC化合物、またはHITC化合物であることを特徴とする請求項1記載の色素レーザ用レーザ媒質。   The laser medium for a dye laser according to claim 1, wherein the fluorescent dye is a fluorescein compound, a stilbene compound, a coumarin compound, a rhodamine compound, an oxazine compound, a DOTC compound, or a HITC compound. 分散媒として水又は水性溶媒を用いたことを特徴とする請求項1または2記載の色素レーザ用レーザ媒質。   3. The laser medium for dye laser according to claim 1, wherein water or an aqueous solvent is used as the dispersion medium. 前記シリカ粒子の平均粒径が10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質。   The laser medium for a dye laser according to any one of claims 1 to 3, wherein an average particle diameter of the silica particles is 10 nm or more and 100 nm or less. 前記シリカ粒子が色素を有するコアと色素を有さないシェルからなるコア−シェル構造を持つことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質。   The laser medium for a dye laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the silica particles have a core-shell structure including a core having a dye and a shell having no dye. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の色素レーザ用レーザ媒質を用いた色素レーザ発振装置。   A dye laser oscillating device using the laser medium for a dye laser according to claim 1. 請求項6記載の装置から放出されたレーザ光。   Laser light emitted from the apparatus according to claim 6.
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