Organische Polymermischungsmikrosphären zeigen eine extrem niedrige Laserschwelle bei höchster gemeldeter Gütefaktor

22. Juli 2024

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben, um die Glaubwürdigkeit des Inhalts zu gewährleisten:

• Faktencheck
• Peer-Review-Publikation
• Vertrauenswürdige Quelle
• Korrektur gelesen

von Elena Alonso-Redondo, IMDEA Nanociencia

Forscher am IMDEA Nanociencia haben hochwertige Mikrosphären aus konjugierten organischen Polymermischungen mit ausgezeichneten Lasereigenschaften hergestellt. Die Laseremission der Mikrosphären weist den bisher höchsten Qualitätsfaktor auf, Q>18.000.

Dielektrische optische Mikroresonatoren beschränken und konzentrieren Licht auf einem winzigen kreisförmigen Pfad aufgrund mehrerer nahezu totaler interner Reflexionen an der gekrümmten Dielektrikum-Luft-Grenzfläche, wo das Licht konstruktiv für bestimmte Wellenlängen interferiert. Diese Mikroresonatoren bieten die Möglichkeit, die Lichtführung und -ausbreitung durch präzise Anpassung ihrer Form, Größe und Brechungsindex zu kontrollieren.

Insbesondere sphärische Resonatoren sind aufgrund ihrer hohen Q-Faktoren (Verhältnis der Resonanzfrequenz zur Bandbreite) der entsprechenden Mie-Resonanzen oder 'Whispering-Gallery-Moden' besonders interessant.

Der Q-Faktor ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie gut Licht über einen bestimmten Zeitraum in der Mikrosphäre eingefangen werden kann, und hohe Q-Faktoren entsprechen schmalen Laserspektrallinien, einem gewünschten Merkmal bei der Gestaltung von Laseranwendungen.

Die schmalen Resonanzen ermöglichen Anwendungen im Bereich der optischen Sensortechnik, einschließlich Geräten mit hoher Empfindlichkeit für kleine physische oder chemische Variationen im optischen Nahfeld der Resonatoren. Hohe Q-Faktoren eröffnen auch Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der verstärkten spontanen Emission und des Laserns von Mikrosphären aus lumineszierenden Materialien.

Bisher wurden Mikrolaser auf der Basis von konjugierten Polymeren mit typischen Q-Faktoren um 1.000 berichtet. Konjugierte Polymere haben sich aufgrund ihrer hervorragenden optoelektrischen Eigenschaften und ihrer einfachen Verarbeitbarkeit als herausragende organische Lasermaterialien erwiesen.

Unter allen Resonatorgeometrien kombinieren Mikrosphären aus konjugierten Polymeren eine hohe optische Absorption mit einem hohen Photolumineszenz-Quantenausbeuten, was eine Erhöhung der Helligkeit im Vergleich zu kommerziellen Farbstoff-dotierten Mikrosphären unter denselben Photoexzitationsbedingungen ermöglicht.

Forscher am Institut IMDEA Nanociencia (Madrid, Spanien), unter Leitung von Dr. Reinhold Wannemacher und Dr. Juan Cabanillas, haben nun Mikrosphären auf der Basis von konjugierten Polymermischungen mit dem bisher höchsten gemeldeten Qualitätsfaktor Q>18.000 berichtet.

Die gemeldeten niedrigen Laserschwellenwerte beruhen auf dem Energieaustausch (Förster-Resonanz-Energieübertragung, FRET) zwischen den Polymerbestandteilen der Mischungen, einem Mechanismus, der die restliche Absorption bei der Lasewellenlänge reduziert. Solche niedrigen Schwellenwerte sind vielversprechend für die Entwicklung von Mikrolasern, die von kostengünstigen Laserdioden gepumpt werden können.

Die Ergebnisse wurden in Advanced Optical Materials veröffentlicht.

Niedrige Schwellenwerte und schmale Laserspektrallinien ermöglichen gemeinsam die ultrasensitive Erfassung von Variationen physikalischer Parameter (pH-Wert, Temperatur) sowie der chemischen Zusammensetzung der Umgebung der Mikrosphären und im Fall von Mikrosphären mit Oberflächen, die durch spezifische organische Gruppen funktionalisiert sind, eine ultrasensitive und hochspezifische Detektion von Biomolekülen.

Letzteres ist für die Entwicklung von tragbaren und kostengünstigen Biodetektoren von hoher Relevanz, was eine schnelle Diagnose von Krankheiten an Versorgungspunkten ermöglichen würde.

Mehr Informationen: Jorge González Sierra et al, High-Q Ultra-Low-Threshold-Lasern in Mikrosphären aus konjugierten Polymermischungen, unterstützt durch FRET, Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202400161

Zeitschrifteninformationen: Advanced Optical Materials

Bereitgestellt von IMDEA Nanociencia