美科學家實現納米顆粒覆蓋的激光微球上轉換紅外光

來源:微迷網    關鍵詞:紅外激光, 納米顆粒,    發布時間:2018-07-03

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 據麥姆斯咨詢報道,美國伯克利實驗室(Berkeley Lab)的研究人員展示了一種在聚合物微球形狀上有趣的回音壁模式激光結構(whispering-mode lasing structure),微球的直徑約為5μm,上面覆蓋著摻銩氟化釔鈉(thulium-doped sodium yttrium fluoride)納米微粒。

這項研究源于伯克利實驗室的分子實驗室(Molecular Foundry)最初的理論發現,該研究利用計算模型預測暴露于特定頻率紅外激光的摻銩納米微粒(thulium-doped nanoparticles),將發出更高頻率的光,事實上,這就是一種光的“上轉換(upconversion)”現象。

目前,研究者已通過實驗證明了這種上轉換,并在名為“Continuous-wave upconverting nanoparticle microlasers”的論文中完整地記錄為“回音壁模式激光(whispering mode laser)”的一種形式,該論文發表于《自然納米技術》(Nature Nanotechnology)雜志。

美科學家實現納米顆粒覆蓋的激光微球上轉換紅外光

圖左:由激光照射的微球(在圖像頂部顯示的黃色斑點)產生循環于微球內部(粉紅色的環)的光模態;圖右:模擬了5μm微球內部光場的分布情況(圖片來源:Angel Fernandez-Bravo /勞倫斯伯克利國家實驗室)

當紅外激光激發了微球外表面的摻銩納米微粒時,納米微粒發出的光就可在微球內表面反彈,如同圓形墻壁上反射的聲波(回音壁)一樣。由于光在幾分之一秒的時間內圍繞微球進行了數千次圓周運動,這會導致某些頻率的光自身產生干涉,可在相長干涉時產生明亮的光,在相消干涉時產生暗點。一旦達到一定閾值,光就可以在級聯放大效應中激發更多的光發射。

研究人員通過利用在摻銩上轉換納米微粒和合適微球尺寸中發現的能量循環激發機制,實現了極低激發水平的連續波上轉換激光。

該論文還指出,使用紅外線照射特殊涂層微粒,使其在藍色和近紅外波長下產生穩定的激光,可持續超過5小時。這與其他報告中的只能間歇運行的上轉換納米級激光形成了鮮明的對比。

該論文的作者之一Jim Schuck解釋說:“大多數基于納米粒子的激光器升溫會很快,并會在幾分鐘內熄滅。我們的激光則會一直存在,該性能讓我們可針對不同應用調整其信號。”

目前,研究人員正在探索:通過改變微球的大小和組成,來調整這種連續發射微激光器的輸出光。他們正利用分子實驗室名為“WANDA(自動納米材料發現和分析工作站)”的機器人系統,來將不同摻雜元素結合起來,并調整納米微粒的性能。

研究者們認為這些微尺寸激光器可在復雜的生物環境中找到傳感和照明的相關應用。

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