Organiska polymerblandningsmikrosfärer uppvisar ultralåg tröskelljusning med högsta rapporterade kvalitetsfaktorn

22 juli 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av Elena Alonso-Redondo, IMDEA Nanociencia

Forskare vid IMDEA Nanociencia har tillverkat mikrosfärer av hög kvalitet från konjugerade organiska polymerblandningar med utmärkta laseregenskaper. Mikrosfärernas laseremission har den högsta kvalitetsfaktorn som rapporterats hittills, Q>18 000.

Dielektriska optiska mikroresonatorer begränsar och koncentrerar ljus i en liten cirkulär bana på grund av flera nästan totala interna reflektioner vid det krökta dielektriska-luftgränssnittet, där ljus interfererar konstruktivt för vissa våglängder. Dessa mikroresonatorer erbjuder möjligheten att uppnå kontroll av ljusinneslutning och utbredning genom exakt justering av deras form, storlek och brytningsindex.

Bland dem är sfäriska resonatorer särskilt intressanta på grund av deras höga Q-faktorer (förhållandet mellan resonansfrekvensen och dess bandbredd) för motsvarande Mie-resonanser, eller "viskande gallerilägen".

Q-faktorn är i huvudsak ett mått på hur väl ljus kan fångas in i mikrosfären över tid och höga Q-faktorer motsvarar smala laserlinjebredder, en önskad egenskap vid design av laserapplikationer.

De smala resonanserna möjliggör tillämpningar inom det optiska avkänningsfältet, inklusive enheter med hög känslighet för små fysikaliska eller kemiska variationer i resonatorernas optiska närfält. Höga Q-faktorer banar också vägen för tillämpningar inom området förstärkt spontan emission och lasring av mikrosfärer gjorda med självlysande material.

Hittills har mikrolasrar baserade på konjugerade polymerer rapporterats med typiska Q-faktorer runt 1 000. Konjugerade polymerer har dykt upp som utmärkta organiska lasermaterial för sina enastående optoelektriska egenskaper och enkla bearbetbarhet.

Bland alla resonatorgeometrier kombinerar mikrosfärer gjorda av konjugerade polymerer stor optisk absorption med högt fotoluminescenskvantutbyte, vilket ger en ökning av ljusheten med avseende på kommersiella färgdopade mikrosfärer under samma fotoexcitationsförhållanden.

Forskare vid IMDEA Nanociencia institutet (Madrid, Spanien), ledd av Dr. Reinhold Wannemacher och Dr. Juan Cabanillas, har nu rapporterat mikrosfärer baserade på konjugerade polymerblandningar som uppvisar lasering med den högsta kvalitetsfaktorn som rapporterats hittills, Q> 18 000.

De rapporterade låga lasringströsklarna är baserade på energiöverföringen (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) mellan polymerbeståndsdelarna i blandningarna, en mekanism som minskar kvarvarande absorption vid lasrvåglängden. Så låga trösklar är lovande för utvecklingen av mikrolasrar som kan pumpas med lågkostnadslaserdioder.

Resultaten har publicerats i Advanced Optical Materials.

Tillsammans möjliggör låga trösklar och smala laserlinjebredder ultrakänslig detektering av variationer av fysikaliska parametrar (pH, temperatur) samt kemisk sammansättning av mikrosfärernas miljö och, i fallet med mikrosfärer med ytor funktionaliserade av specifika organiska grupper, ultrakänsliga och mycket specifik detektion av biomolekyler.

Det senare är mycket relevant för utvecklingen av bärbara och billiga biodetektorer, som skulle möjliggöra snabb diagnos av sjukdomar vid vårdplatser.

Journalinformation: Advanced Optical Materials

Tillhandahålls av IMDEA Nanociencia