Las microesferas de mezcla de polímeros orgánicos exhiben un láser de umbral ultra bajo con el factor de calidad más alto reportado.

22 de julio de 2024

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por Elena Alonso-Redondo, IMDEA Nanociencia

Los investigadores en IMDEA Nanociencia han fabricado microesferas de alta calidad a partir de mezclas de polímeros orgánicos conjugados con excelentes propiedades de emisión láser. La emisión láser de las microesferas tiene el factor de calidad más alto reportado hasta la fecha, Q > 18,000.

Los microresonadores ópticos dieléctricos confinan y concentran la luz en un camino circular pequeño debido a múltiples reflexiones internas casi totales en la interfaz curva dieléctrico-aire, donde la luz interfiere constructivamente para ciertas longitudes de onda. Estos microresonadores ofrecen la posibilidad de lograr control de confinamiento y propagación de luz mediante el ajuste preciso de su forma, tamaño e índice de refracción.

Entre ellos, los resonadores esféricos son particularmente interesantes debido a sus altos factores Q (relación de la frecuencia de resonancia sobre su ancho de banda) de las resonancias Mie correspondientes o 'modos de galería susurrante'.

El factor Q es en esencia una medida de la capacidad de atrapar la luz en la microesfera con el tiempo y los altos factores Q corresponden a anchos de línea de láser estrechos, una característica deseada al diseñar aplicaciones láser.

Las estrechas resonancias permiten aplicaciones en el campo de la detección óptica, incluidos dispositivos con alta sensibilidad a pequeñas variaciones físicas o químicas en el campo óptico cercano de los resonadores. Además, los altos factores Q abren el camino para aplicaciones en el campo de la emisión espontánea amplificada y la emisión láser de microesferas hechas con materiales luminiscentes.

Hasta ahora, se han reportado microláseres basados en polímeros conjugados con factores Q típicos alrededor de 1,000. Los polímeros conjugados han surgido como excelentes materiales láser orgánicos por sus sobresalientes propiedades optoelectrónicas y su fácil procesabilidad.

Entre todas las geometrías de resonador, las microesferas hechas de polímeros conjugados combinan una absorción óptica grande con un alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, lo que permite un aumento de brillo en comparación con las microesferas comerciales dopadas con tintes bajo las mismas condiciones de fotoexcitación.

Los investigadores del Instituto IMDEA Nanociencia (Madrid, España), liderados por el Dr. Reinhold Wannemacher y el Dr. Juan Cabanillas, ahora han reportado microesferas basadas en mezclas de polímeros conjugados exhibiendo emisión láser con el mayor factor de calidad reportado hasta la fecha, Q > 18,000.

Los umbrales bajos de emisión láser reportados se basan en la transferencia de energía (Transferencia de Energía Resonante de Förster, FRET) entre los constituyentes del polímero de las mezclas, un mecanismo que reduce la absorción residual en la longitud de onda de emisión láser. Tales umbrales bajos son prometedores para el desarrollo de microláseres que pueden ser bombeados por diodos láser de bajo costo.

Los resultados se han publicado en Advanced Optical Materials.

Juntos, los bajos umbrales y las estrechas líneas de emisión láser permiten la detección ultrasensible de variaciones de parámetros físicos (pH, temperatura) así como la composición química del entorno de las microesferas y, en el caso de microesferas con superficies funcionalizadas por grupos orgánicos específicos, la detección ultra sensible y altamente específica de biomoléculas.

Lo último es altamente relevante para el desarrollo de biodetectores portátiles y de bajo costo, que permitirían el diagnóstico rápido de enfermedades en puntos de atención.

Más información: Jorge González Sierra et al, High Q Ultra‐Low Threshold Lasing in Conjugated Polymer Blend Microspheres Promoted by FRET, Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202400161

Información del diario: Advanced Optical Materials

Proporcionado por: IMDEA Nanociencia