DE2411969A1 - Farbstofflaser - Google Patents
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/20—Liquids
- H01S3/213—Liquids including an organic dye
Description
Zentralbereich Patente. Marken und Lizenzen
509 Leverkusen. Bayerwerk
Jo/Bre
12, März 1974
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von kohärenter monochromatischer Strahlung (Laserlicht) mittels eines
Farbstofflasers, 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 450 bis 560 mn
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
Quarzzylinders 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.
Le A 15 594
509839/0A54
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 emittierenden Übergang in den Grundzustand und das Licht wird im optischen Resonator
hin und her geworfen und dabei durch stimmulierte 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 Farbstofflasers 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 500 nm noch ein Mangel an gut wirksamen Verbindungen.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Farbstofflaser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Laserfarbstoff
lösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstofflösung zu einer Emission anzuregen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung in einem die Emission nicht störenden Lösungsmittel einen Farbstoff
der allgemeinen Formel
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worm
R1 für Wasserstoff, Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, einen mit
der 6-Stellung des Cumarinringsysterns verknüpften
Alkylenrest oder zusammen mit Rp und dem Stickstoffatom,
an das sie gebunden sind, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Heteroatome als Ringglieder für die
restlichen Glieder eines heterocyclischen Ringsystems,
R2 für Alkyl, Aralkyl oder einen mit der 8-Stellung des
Cumarinringsystems verknüpften Alkylenrest3
R, für Wasserstoff oder einen gegebenenfalls substituierten
Phenylrest stehen, die Ringe A und B weitere Substituenten tragen können und dem Ring B auch ein carbocyclischer
5- oder 6-gliedriger Ring anelliert sein kann,
in einer Laserstrahlen emittierenden Konzentration von vorzugs-
-? -Zl
weise 10 bis 10 Mol/Liter enthält.
weise 10 bis 10 Mol/Liter enthält.
Als Alkylreste R* und Rp 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; C,-C/-Alkoxy wie Methoxy, Äthoxy, n-Propoxy und
n-Butoxy; Di-C^-C^-alkylamino wie Dirnethylamino, Diäthylamino,
N-Phenyl-N-C^-C^-alkylamino wie N-Phenyl-N-methylamino; Hydroxy;
Cycloalkyl wie Cyclohexyl, Cj-C^-Alkoxycarbonyl wie Methoxycarbonyl,
Äthoxycarbonyl, ß-Methoxyäthoxycarbonyl, ß-Äthoxyäthoxycarbonyl,
n-Butoxycarbonyl; N-C^-C^-Alkylaminocarbonyl wie
Methyl- oder Äthylaminocarbonyl; Di-C^-C^-aminocarbonyl wie
Dirnethylaminocarbonyl oder Diäthylaminocarbonyl ; Carbamoyl.
Le A 15 594 - 3 -
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«Η.
Geeignete Cycloalkylreste R^ sind vorzugweise der Cyclohexyl-
oder Cyclopentylrest.
Als Aralkylreste R1 oder R2 sind bevorzugt Benzyl- und Phenylätherreste
zu nennen.
Als heterocyclische Ringsysteme, die durch R^ und R2 über das gemeinsame
Stickstoffatom gebildet werden können, kommen bevorzugt 5- oder 6-gliedrige N-Heterocyclen wie Pyrrolidin, Piperidin,
Morpholin, N-C,-C«-Alkylpiperazin, Pyrazolin und Isoindolin in
Betracht.
Alkylengruppen R^ und Rp, die mit der 6- bzw. 8-Stellung des
Cumarinringsystems verknüpft sind, enthalten vorzugsweise zwei oder drei C-Kettenglieder und können zusätzlich insbesondere
durch Methylreste substituiert sein.
Als Beispiele für derartige Alkylengruppen selen der Äthylen-, 1,3-Propylen-Rest und die Gruppe -C(CH^)2-CH2-CH(CH:?)- genannt.
Ein Phenylrest R^ ist bevorzugt durch einen o-ständigen Carboxy-
oder C^-C^-Alkoxycarbonylrest wie Methoxy-, Äthoxy-, ß-Methoxyäthoxy-,
ß-Äthoxyäthoxy-, ß-Hydroxyäthyl-, Propoxy- oder Butoxycarbonyl-Rest
substituiert. Darüberhinaus kann ein derartiger Phenylrest R, auch beispielsweise C]-C^-Alkylgruppen wie Methyl,
Äthyl, Trifluormethyl; Halogen wie Chlor oder C-C-Alkoxygruppen
wie Methoxy oder Äthoxy, eine weitere Carboxyl- oder eine Sulfogruppe als Substituenten tragen.
Als Substituenten im Ring A seien beispielsweise der C-C^-Alkylrest,
insbesondere Methyl; Halogen wie Chlor und C-C^-Alkoxyreste
wie Methoxy, Äthoxy oder Isopropoxy genannt.
Le A 15 594 - 4 -
509839/0454
Als Substituenten im Ring B. seien beispielsweise genannt: C^-Ctr-Alkylreste, die auch weitersubstituiert sein können, wie
Methyl, Trifluormethyl, Äthyl, ß-Cyanäthyl, Tertiärbutyl; 5-
oder 6-gliedrige Cycloalkylreste wie Cyclohexyl; der Phenylrest;
Phenyl-C.-CU-alkylreste wie Benzyl; Halogenreste wie Chlor,
Brom oder Fluor, vorzugsweise Chlor; C,-C,--Alkoxyreste wie Meth^
oxy, Äthoxy, n-Butoxy, Isopropoxy; der Phenoxyrest; Cj-C ,--Alkylsulfonylreste
wie Methylsulfonyl, Äthylsulfonyl, η-Butylsulfonyl,
ß-Hydroxyäthylsulfonyl; der Benzylsulfonylrest; der Phenylsulfon-■ylrest;
Carbamoyl- oder Sulfamoylrest, die auch gegebenenfalls
durch ein oder zwei C^-C^-Alkylreste, welche zusammen mit dem
gemeinsamen N-Atom einen heterocyclischen 5- oder 6-gliedrigen
Ring bilden können, substituiert sind, wie beispielsweise CONH2,
SOpNHp, Dimethylamine-carbonyl oder -sulfonyl, Diäthylaminocarbonyl
oder -sulfonyl, N-Piperidino-carbonyl oder -sulfonyl, N-Morpholino-carbonyl oder -sulfonyl, N-Pyrrolidino-carbonyl
oder -sulfonyl, n-Butylamino-carbonyl oder -sulfonyl, ß-Hydroxyäthylamino-carbonyl
oder ^sulfonyl; der Cyanrest; der Sulforest.
Als anellierte carbocyclische 5- oder 6-gliedrige Ringe an B kommen insbesondere der Benzo-, Cyclohexano- oder Cyclopentanorest
in Betracht, bevorzugt ist ein anellierter Benzoring.
Bevorzugte Laserfarbstoffe der Formel I entsprechen der Formel
II
für C^-Cjj-Alkylreste, die auch durch Hydroxy,
Chlor, C^-C^-Alkoxy, Cyan oder Phenyl substituiert
sein können,
1-z für Wasserstoff oder einen o-Carboxyl- oder o-C^-C-z-Alkoxycarbonyl-substituierten
Phenylrest
Le A 15 394 - 5 -
509 8 3 9/0454
Ζλ für Wasserstoff oder Methyl,
Z5 für Wasserstoff, C1-C5-AIlCyI, Chlor', C^C^-Alkylsulfonyl,
Benzylsulfonyl, Cyan, SuIfο, gegebenenfalls durch
einen oder zwei C,,-C^-Alkylrest(e) substituierten
Carbamoyl- oder Sulfamoyl-, Phenyl-, Cyclohexyl-,
Phenyl-^-C,-alkyl oder C^-C.-Alkoxyrest oder zusammen
mit Zf- für die restlichen Glieder eines anellierten
Benzo-, Cyclohexano- oder Cyclopentanorestes }
Zg für Wasserstoff oder C1-C^-Alkyl stehen.
Besonders bevorzugte Laserfarbstoffe der Formel II sind solche, in denen Z1 und Z« für Methyl- oder Äthylreste3 Z, für Wasserstoff,
Z1J für Wasserstoff, 2-Carb oxy phenyl oder 2-C1-C5-AIkOXycarbonylphenyl,
Z^ für Wasserstoff, Methyl, Tertiärbutyl, Chlor, Methyl- oder Äthylsulfonyl, Cyan, SuIfo, SO2NH2, SO2N(CH3)2,
SO2N(G3H^)2, Phenyl, Cyclohexyl, Methoxy oder Äthoxy oder
zusammen mit Zg für einen in 4,5-Stellung anellierten Benzoring
und Zr für Wasserstoff oder Methyl stehen.
Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Lösungsmittel, welche die stimulierte Emission nicht, behindern, sind Wasser, ein-
und mehrwertige Alkohole, z.B. Methanol, Äthanol, Isopropanol, Butanol, Äthylenglykol, Glykolmonoäthyläther, cyclische Äther,
wie Tetrahydrofuran, Dioxan, aromatische Verbindungen, wie Benzol, Toluol, Phenol, Resorcin, Kresole, außerdem Cyclohexan,
Dekalin, Chloroform, Dirnethylsulfoxid, Ketone, wie Aceton,
Butanon-2, Cyclohexanon, Ester, wie Essigsäureathylester, Malonsäurediäthylester,
Glykoldiacetat, Diäthylcarbonat und fluorierte
Alkohole, beispielsweise Hexafluorisopropanol.
Die in dem erfindungsgemäßen Laser verwendeten Farbstoffe sind teilweise bekannt, beispielsweise aus den Deutschen Offenlegungsschriften
2 030 507 und 2 058 877.
Le A 15 594 - 6 -
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Cumarine der Formel I, worin R, für einen gegebenenfalls substituierten
Phenylrest steht, werden durch Umsetzung von Benzophenonen der Formel
worin
FL , Rp und A die obengenannte Bedeutung besitzen und der
rechtsseitige Phenylrest noch weitersubstituiert sein kann,
mit Benzoxazolylessigsäureestern oder -amiden oder Bis-benzoxazolylmethanen
in konzentrierter Schwefelsäure gewonnen.
Eine Reihe der Farbstoffe zeigt als besonderen Vorteil den auf Seite 2 beschriebenen Effekt.der "Super-Radiance".
Le A 15 594 - 7 -
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In einer Laser-Apparatur wie auf Seite 1 beschrieben wird der Farbstoff der Formel
-4
in einer Konzentration von 5*10 Mol/l in Dirnethylsulfoxid gelöst,
aus dem Reservoir durch eine Quarzglasküvette gepumpt, die mittels eines Np-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 490 nm. Der zeitliche Verlauf wurde mit Oszillograph und Photodiode beobachtet,
In gleicher Weise wurde mit den Farbstoffen der folgenden Tabelle Laserlicht erzeugt. Die eingesetzte Konzentration und die Wellenlänge
der Emission gehen aus der nachfolgenden Tabelle hervor:
(C2H5)2N
Le A 15 594 - 8 -
509839/0454
Beispie Konz.
Mol/Ltr.
Mol/Ltr.
Emission nm
H H H H
CH,
CH
CoHc00C
CH,
HOOC
C2H5OOC
HOOC
iOOC
SO2C2H5
SO2C2H5
CH,
S0,Na 5
CH,
-3
-3
5*10
-4
5-10
-4
-3
-3
10"
-3
-3
520 520 500 500
470
525
505
525
525
Le A 15
509839/0454
Beispiel R^
Konz. Mol/Ltr,
Emission nm
10"
535
-3
535
In einem blitzlampengepumpten Farbstofflaser (Anstiegzeit der Blitzlampe 120 ns, elektrische Pumpenergie 20 J; Reflexionswerte
der Resonatorspiegel r^ = 33 %, r,·, = 100 %) bringt man eine
Lösung von 5,10" Mol/l des Farbstoffes der Formel
in Dirne thylsulf oxid in Zirkulation. Die Wellenlänge des emittierten
Laserlichtes beträgt 546 nm.
Le A 15 594
- 10 -
509839/0454
♦ /t/l·
In ähnlicher Weise lassen sich die Farbstoffe
ROOi
(C2H5)2N
O2C2H5
zur Laseremission anregen.
536 nm
R = C2H5 524 nm
(C2H5 >2N
R = CH3 534 nm
R = S0,Na 533 nm
HOOC
in Äthanol 527 nm
Le A 15 594
- 11 -
509839/0454
Verbindung 10 (Seite 9) wurde auf folgendem Wege hergestellt:
Eine Mischung aus 17,2 g 2-Carboxy-2l-hydroxy-4l-diäthylaminobenzophenon
und 13,9 g Di-[5'-methyl-benzoxazolyl-(2')]-methan wurden unter Kühlung bei 2O0C beginnend portionsweise in
80 ml 98 /5ige Schwefelsäure eingetragen. Die Temperatur ließ
man auf 50 C ansteigen, rührte die Mischung 6 Stunden bei
55 - 6O0C und trug sie dann auf ^tOO g Eis und 400 ml Wasser
aus. Nach 2-stündigem Rühren wurde der kristalline Niederschlag abgesaugt, erst mit Wasser, dann mit Natriumacetatlösung und
dann wieder mit Wasser gewaschen. Die Substanz wurde noch feucht aus Dimethylformamid umkristallisiert. Ausbeute: 26,1 g Verbindung
der Formel 10.
Durch Veresterung mit Äthanol wurde Verbindung 10 auf folgendem Wege in Verbindung 6 übergeführt:
23 g Verbindung 10 wurden in 100 ml absolutem Äthanol suspendiert,
mit trockenem HCl-Gas gesättigt und 20 Stunden unter Rückfluß zum Sieden erhitzt. Die klare rote Lösung wurde auf
200 g Eis, 200 g gesättigte Natriumacetatlösung und 100 ml Wasser ausgetragen, 20 Stunden stehengelassen, abgesaugt, mit
Wasser gewaschen, bei Raumtemperatur im Vakuum getrocknet und aus Äthanol umkristallisiert. Ausbeute: 21,3 g Verbindung
der Formel 6.
In analoger Weise wurden auch die Verbindungen der Formeln 7, 8 und die im Beispiel 2 zuletzt genannte Verbindung dargestellt.
Le A 15 59*> - 12 -
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Claims (4)
- Patentansprüche* η.1J Farbstofflaser bestehend aus einem Reservoir mit einer darin enthaltenen Farbstofflösung und einer damit verbundenen Pumplichtquelle, die in der Lage ist, die Farbstofflösung zu einer Emission anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen FormelworinR. für Wasserstoff, Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, einen mit der 6-Stellung des Cumarinringsystems 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 RingsystemsR2 für Alkyl, Aralkyl oder einen mit der 8-Stellung des Cumarinringsystems verknüpften AlkylenrestR, für Wasserstoff oder einen gegebenenfalls substituierten Phenylrest stehen, die Ringe A und B weitere Substituenten tragen können und dem Ring B auch ein carbocyclischer 5- oder 6-gliedriger Ring anelliert sein kann,enthält.
- 2. Farbstofflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstofflösung einen Farbstoff der allgemeinen FormelLe A -15 594 - 13 -50983 9/0454worin
Z„ undfür C^-Cj,-Alky Ires te, die auch durch Hydroxy, Chlor, C^-C^-Alkoxy, Cyan oder Phenyl substituiert sein können,für Wasserstoff oder einen o-Carboxyl- oder Ct-CU-Alkoxycarbonyl substituierten Phenylrest für Wasserstoff oder Methyl,
für Wasserstoff, C1-C5-AIkVl, Chlor, C1-C3-Alkylsulfonyl, Benzylsulfonyl, Cyan, SuIfο, gegebenenfalls durch einen oder zwei C1-C^- Alkylrest(e) substituierten Carbamoyl- oder Sulfamoyl-, Phenyl-, Cyclohexyl-, Phenyl-C^-C^-alkyl- oder C1-C/-Alkoxyrest oder zusammen mit Z/- für die restlichen Glieder eines anellierten Benzo-, Cyclohexano- oder Cyclopentanorestes und
für Wasserstoff oder C1-Cz-AIkYl stehen,enthält. - 3. Farbstofflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Färbstofflösung den Farbstoff in einer Konzentration von 10~2 bis 10-Zf Mol/l enthält.Le A 15 594509839/0454
- 4. Verfahren zur Erzeugung einer kohärenten Lasermission in einem Wellenlängenbereich von 450 bis 560 nm unter Verwendung eines Farbstofflasers nach den Ansprüchen 1 bis J5·Le A 15 594 - 15 -509839/0454ORIGINAL INSPECTED
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