Organische polymeermengselmicrobolletjes vertonen een ultra-lage drempellaser met de hoogste gerapporteerde kwaliteitsfactor

Microbolletje van hoge kwaliteit, gemaakt van een polymeermengsel (rechtsboven, licht uitstralend). Credit: Jorge González-Sierra

Onderzoekers van IMDEA Nanociencia hebben hoogwaardige microbolletjes vervaardigd uit geconjugeerde organische polymeermengsels met uitstekende lasereigenschappen. De laseremissie van de microbolletjes heeft de hoogste kwaliteitsfactor die tot nu toe is gerapporteerd, Q>18.000.

Diëlektrische optische microresonatoren beperken en concentreren licht in een klein cirkelvormig pad door meerdere bijna totale interne reflecties op de gebogen diëlektrische-luchtinterface, waar licht constructief interfereert voor bepaalde golflengten. Deze microresonatoren bieden de mogelijkheid om controle te krijgen over lichtbeperking en -voortplanting door nauwkeurige aanpassing van hun vorm, grootte en brekingsindex.

Sferische resonatoren zijn onder deze modi bijzonder interessant vanwege hun hoge Q-factoren (verhouding van de resonantiefrequentie tot de bandbreedte) van de overeenkomstige Mie-resonanties, of ‘fluistergalerijmodi’.

De Q-factor is in essentie een maatstaf voor hoe goed licht in de loop van de tijd in de microsfeer kan worden gevangen. Hoge Q-factoren komen overeen met smalle laserlijnbreedtes, een gewenste eigenschap bij het ontwerpen van lasertoepassingen.

De smalle resonanties maken toepassingen mogelijk in het optische sensorveld, inclusief apparaten met een hoge gevoeligheid voor kleine fysieke of chemische variaties in het optische nabije veld van de resonatoren. Ook maken hoge Q-factoren de weg vrij voor toepassingen in het veld van versterkte spontane emissie en lasering van microbolletjes gemaakt met luminescerende materialen.

Tot nu toe zijn microlasers op basis van geconjugeerde polymeren gerapporteerd met typische Q-factoren rond de 1.000. Geconjugeerde polymeren zijn naar voren gekomen als uitstekende organische lasermaterialen vanwege hun uitstekende opto-elektrische eigenschappen en gemakkelijke verwerkbaarheid.

Van alle resonatorgeometrieën combineren microbolletjes gemaakt van geconjugeerde polymeren een grote optische absorptie met een hoge fotoluminescentie-kwantumopbrengst, wat zorgt voor een hogere helderheid ten opzichte van commerciële kleurstofgedoteerde microbolletjes onder dezelfde foto-excitatieomstandigheden.

Onderzoekers van het IMDEA Nanociencia-instituut (Madrid, Spanje), onder leiding van Dr. Reinhold Wannemacher en Dr. Juan Cabanillas, hebben nu microbolletjes gerapporteerd die gebaseerd zijn op geconjugeerde polymeermengsels en die laserwerking vertonen met de hoogste kwaliteitsfactor die tot nu toe is gerapporteerd, Q> 18.000.

De gerapporteerde lage laserdrempels zijn gebaseerd op de energieoverdracht (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) tussen de polymeerbestanddelen van de mengsels, een mechanisme dat de resterende absorptie bij de lasergolflengte vermindert. Zulke lage drempels zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van microlasers die kunnen worden gepompt door goedkope laserdiodes.

De resultaten zijn gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen.

Lage drempels en smalle laserlijnbreedtes maken samen een uiterst gevoelige detectie van variaties in fysieke parameters (pH, temperatuur) en de chemische samenstelling van de omgeving van de microbolletjes mogelijk. In het geval van microbolletjes met oppervlakken die zijn gefunctionaliseerd door specifieke organische groepen, is een uiterst gevoelige en zeer specifieke detectie van biomoleculen mogelijk.

Dit laatste is zeer relevant voor de ontwikkeling van draagbare en goedkope biodetectoren, waarmee ziekten op de zorglocatie snel kunnen worden gediagnosticeerd.