Sfere microscopiche di miscela di polimeri organici mostrano una luce laser a soglia ultra bassa con il fattore di qualità più alto riportato.

22 luglio 2024

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di Elena Alonso-Redondo, IMDEA Nanociencia

I ricercatori dell'IMDEA Nanociencia hanno fabbricato microsfere di alta qualità da miscele di polimeri organici coniugati con eccellenti proprietà laser. L'emissione laser delle microsfere ha il fattore di qualità più alto finora riportato, Q>18.000.

I microrisonatori ottici dielettrici confinano e concentrano la luce in un minuscolo percorso circolare a causa di molteplici riflessioni interne quasi totali sull'interfaccia curva dielettrico-aria, dove la luce interferisce in modo costruttivo per determinate lunghezze d'onda. Questi microrisonatori offrono la possibilità di ottenere il controllo del confinamento e della propagazione della luce attraverso la regolazione precisa della loro forma, dimensione e indice di rifrazione.

Tra questi, i risonatori sferici sono particolarmente interessanti a causa dei loro elevati fattori Q (rapporto tra la frequenza di risonanza e la sua larghezza di banda) delle corrispondenti risonanze Mie, o "modalità della galleria sussurrante".

Il fattore Q è essenzialmente una misura di quanto bene la luce può essere intrappolata nella microsfera nel tempo e fattori Q elevati corrispondono a larghezze di linea laser strette, una caratteristica desiderata quando si progettano applicazioni laser.

Le risonanze strette consentono applicazioni nel campo del rilevamento ottico, compresi dispositivi con elevata sensibilità a piccole variazioni fisiche o chimiche nel campo ottico vicino dei risonatori. Inoltre, elevati fattori Q aprono la strada ad applicazioni nel campo dell'emissione spontanea amplificata e del lasering di microsfere realizzate con materiali luminescenti.

Finora sono stati segnalati microlaser basati su polimeri coniugati con fattori Q tipici intorno a 1.000. I polimeri coniugati sono emersi come eccellenti materiali organici per laser grazie alle loro eccezionali proprietà optoelettriche e alla facile lavorabilità.

Tra tutte le geometrie dei risonatori, le microsfere costituite da polimeri coniugati combinano un grande assorbimento ottico con un'elevata resa quantica di fotoluminescenza, offrendo un aumento di luminosità rispetto alle microsfere commerciali drogate con coloranti nelle stesse condizioni di fotoeccitazione.

I ricercatori dell’istituto IMDEA Nanociencia (Madrid, Spagna), guidati dal Dr. Reinhold Wannemacher e dal Dr. Juan Cabanillas, hanno ora segnalato microsfere basate su miscele di polimeri coniugati che mostrano un effetto laser con il fattore di qualità più alto riportato fino ad oggi, Q> 18.000.

Le soglie laser basse riportate si basano sul trasferimento di energia (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) tra i costituenti polimerici delle mescole, un meccanismo che riduce l'assorbimento residuo alla lunghezza d'onda del laser. Soglie così basse sono promettenti per lo sviluppo di microlaser che possono essere pompati da diodi laser a basso costo.

I risultati sono stati pubblicati su Advanced Optical Materials.

Insieme, soglie basse e larghezze di linea laser ridotte consentono il rilevamento ultrasensibile delle variazioni dei parametri fisici (pH, temperatura) e della composizione chimica dell'ambiente delle microsfere e, nel caso di microsfere con superfici funzionalizzate da specifici gruppi organici, soglie ultrasensibili e rilevamento altamente specifico di biomolecole.

Quest’ultimo è molto importante per lo sviluppo di biorilevatori portatili e a basso costo, che consentirebbero una diagnosi rapida delle malattie nei punti di cura.

Informazioni sulla rivista: Materiali ottici avanzati

Fornito da IMDEA Nanociencia