Ultraviolette lasers genereren met nabij-infrarood licht door ‘domino-upconversie’ van nanodeeltjes

Sterke en coherente apparaten voor de emissie van ultraviolet licht hebben een enorm potentieel voor medische en industriële toepassingen, maar het was een uitdaging om op een effectieve manier ultraviolet licht te genereren. Onlangs heeft een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) een nieuwe benadering ontwikkeld om diep-ultraviolette lasers te genereren door middel van een “domino-upconversie”-verwerking van nanodeeltjes met behulp van nabij-infrarood licht, dat vaak wordt gebruikt in telecommunicatie apparaten. De bevindingen bieden een oplossing voor het construeren van geminiaturiseerde hoogenergetische lasers voor biodetectie en fotonische apparaten.

In de wereld van nanomaterialen betekent “foton-upconversie” dat wanneer nanomateriaal wordt geëxciteerd door licht of fotonen met een lange golflengte en lage energie, het licht uitstraalt met een kortere golflengte en hogere energie, zoals ultraviolet licht.

Uitdaging bij het bereiken van foton-upconversie

Opconversie van fotonen, gekenmerkt door emissie van hoge energie bij excitatie van fotonen met lagere energie, is van uitzonderlijk belang onder wetenschappers. Dit komt omdat het potentieel biedt voor een kosteneffectieve constructie van geminiaturiseerde apparaten met diepe ultraviolette straling, die een enorm potentieel voor medische en industriële toepassingen hebben, zoals microbiële sterilisatie en biomedische instrumentatie. Het opconversieproces van fotonen heeft echter een beperkte flexibiliteit, omdat het voornamelijk voorkomt in speciale lanthanide-ionen die vaste sets van energieniveaus bevatten.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Wang Feng, van het Department of Materials Science and Engineering, en professor Chu Sai-tak, van het Department of Physics van CityU, samen met Dr. Jin Limin van het Harbin Institute of Technology (Shenzhen), overwon het obstakel door een “domino-upconversie”-tactiek te introduceren.

Speciaal structureel ontwerp van nanodeeltjes

Domino-upconversie is als een kettingreactie, waarbij energie die wordt verzameld in een opconversiecursus, een volgend opconversieproces in gang zet. Door gebruik te maken van een donutvormige microresonator, ingebouwd in speciaal ontworpen “opconversie-nanodeeltjes”, genereerde het team met succes een hoogenergetische, diep-ultraviolette lichtemissie bij 290 nm door excitatie van laagenergetische infraroodfotonen bij 1550 nm.

“Omdat de excitatiegolflengte in het telecommunicatiegolflengtebereik lag, kunnen de nanodeeltjes gemakkelijk worden gebruikt en geïntegreerd in bestaande glasvezelcommunicatie- en fotonische circuits zonder ingewikkelde modificatie of aanpassing”, zei professor Wang. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatiegetiteld “Ultragrote anti-Stokes laseren door tandem-upconversie.”

Het idee om “domino-upconversie” te construeren, werd geïnspireerd door een eerdere studie van energieoverdracht in kern-schil nanodeeltjes door professoren Wang en Chu. Het ontwerp van de kern-schaalstructuur van het nanodeeltje maakt het multifoton-luminescentieproces in erbium (Er³⁺) ionen. Door een soortgelijk synthetisch protocol aan te passen, heeft het team met succes “core-shell-shell” nanodeeltjes geconstrueerd via een natchemische methode om het energieoverdrachtsmechanisme van lanthanide-ionen, waaronder thulium (Tm³⁺) ionen.

Donut-vormige microresonator

Door het zorgvuldige ontwerp van de dopingsamenstelling en -concentratie in verschillende lagen of schillen van de opconversie-nanodeeltjes, heeft het team met succes een tandemcombinatie van Er bereikt³⁺ en Tm³⁺ op ionen gebaseerde opconversieprocessen (domino-opconversie). In het experiment, de Er³⁺ ionen in de buitenste schil reageerden op 1550 nm nabij-infrarood foton-excitatie, een golflengte die zich in het telecommunicatiebereik bevindt. Door de nanodeeltjes op te nemen in een donutvormige microresonatorholte, genereerde het team verder een hoogwaardige ultraviolette microlaser, die laserwerking aantoonde bij 289 nm bij 1550 nm excitatie.

“De opconversie-nanodeeltjes fungeren als ‘golflengte-omzetters’ om de energie van invallende infraroodfotonen te vermenigvuldigen”, legt professor Wang uit. Hij verwacht dat de bevindingen de weg vrijmaken voor de constructie van geminiaturiseerde kortegolflasers en zegt dat ze nieuwe ideeën kunnen inspireren voor het ontwerpen van fotonische circuits. Hij voegde eraan toe dat de geminiaturiseerde ultraviolette laser die deze domino-upconversietechnologie gebruikt, een platform kan bieden voor gevoelige biodetectie, zoals de detectie van kankercelsecretie, door de laserintensiteit en -drempel te bewaken, wat in de toekomst een groot biomedisch toepassingspotentieel biedt.