美科学家实现纳米颗粒覆盖的激光微球上转换红外光

据麦姆斯咨询报道，美国伯克利实验室（Berkeley Lab）的研究人员展示了一种在聚合物微球形状上有趣的回音壁模式激光结构（whispering－mode lasing structure），微球的直径约为5μm，上面覆盖着掺铥氟化钇钠（thulium－doped sodium yttrium fluoride）纳米微粒。

这项研究源于伯克利实验室的分子实验室（Molecular Foundry）最初的理论发现，该研究利用计算模型预测暴露于特定频率红外激光的掺铥纳米微粒（thulium－doped nanoparticles），将发出更高频率的光，事实上，这就是一种光的“上转换（upconversion）”现象。

目前，研究者已通过实验证明了这种上转换，并在名为“Continuous－wave upconverting nanoparticle microlasers”的论文中完整地记录为“回音壁模式激光（whispering mode laser）”的一种形式，该论文发表于《自然?纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志。

图左：由激光照射的微球（在图像顶部显示的黄色斑点）产生循环于微球内部（粉红色的环）的光模态；图右：模拟了5μm微球内部光场的分布情况（图片来源：Angel Fernandez－Bravo ／劳伦斯伯克利国家实验室）

当红外激光激发了微球外表面的掺铥纳米微粒时，纳米微粒发出的光就可在微球内表面反弹，如同圆形墙壁上反射的声波（回音壁）一样。由于光在几分之一秒的时间内围绕微球进行了数千次圆周运动，这会导致某些频率的光自身产生干涉，可在相长干涉时产生明亮的光，在相消干涉时产生暗点。一旦达到一定阈值，光就可以在级联放大效应中激发更多的光发射。

研究人员通过利用在掺铥上转换纳米微粒和合适微球尺寸中发现的能量循环激发机制，实现了极低激发水平的连续波上转换激光。

该论文还指出，使用红外线照射特殊涂层微粒，使其在蓝色和近红外波长下产生稳定的激光，可持续超过5小时。这与其他报告中的只能间歇运行的上转换纳米级激光形成了鲜明的对比。

该论文的作者之一Jim Schuck解释说：“大多数基于纳米粒子的激光器升温会很快，并会在几分钟内熄灭。我们的激光则会一直存在，该性能让我们可针对不同应用调整其信号。”

目前，研究人员正在探索：通过改变微球的大小和组成，来调整这种连续发射微激光器的输出光。他们正利用分子实验室名为“WANDA（自动纳米材料发现和分析工作站）”的机器人系统，来将不同掺杂元素结合起来，并调整纳米微粒的性能。

研究者们认为这些微尺寸激光器可在复杂的生物环境中找到传感和照明的相关应用。