Veelkleurige single-mode gepolariseerde microlasers met een uitgangsbereik van zichtbaar licht tot nabij-infrarood hebben belangrijke toepassingen in fotonische integratie en multimodale chemische detectie- of beeldvormingstoepassingen. Echter, dergelijke inrichtingen zijn in de praktijk zeer moeilijk te realiseren. In een nieuw rapport Huajun He en een onderzoeksteam in de natuurkunde, materiaalwetenschap en scheikunde in Singapore, China en de VS, ontwikkelde een enkel kristal met meerdere segmenten om gecontroleerde, enkele modus, nabij-infrarood (NIR) laseren. Meerdere segmenten van het eenkristal waren gebaseerd op een metaalorganisch raamwerk (MOF) gehybridiseerd met kleurstofmoleculen die geschikt zijn voor groen, rood en nabij-infrarood laseren zoals computationeel gesimuleerd. De gesegmenteerde assemblage van verschillende kleurstofmoleculen in het microkristal zorgde ervoor dat het werkte als een verkorte resonator om dynamische, multicolor single-mode laseren met een lage driekleurenlasingdrempel (rood, groen en NIR). De bevindingen openen een nieuwe route om single-mode, micro/nanolasers gebouwd met MOF-engineering voor biofotonische toepassingen. Het werk is nu gepubliceerd op Natuur Licht:wetenschap en toepassingen .

Multicolor single-mode gepolariseerde laserdetectie met metalen organische kaders (MOF's)

Multicolor single-mode gepolariseerde laserdetectie of -beeldvorming is een veelbelovende diagnostische technologie die in de praktijk nog effectief moet worden ontwikkeld. Verschillende biologische weefsels, cellen of biochemicaliën hebben verschillende optische, thermische en akoestische reacties op verschillende golflengten van licht. Als resultaat, lichtbron met breedbandige veelkleurige output kan de fundamentele basis vormen voor multimodale of multidimensionale detectie of beeldvorming. De polarisatie-eigenschappen van licht bieden de mogelijkheid om verstrooide signalen te verwerken voor structurele informatie die rijk is aan biologische materialen. Single-mode micro/nanolasers kunnen voldoen aan de vereiste toepassingen van geminiaturiseerde fotonica-apparaten; waaronder een hoge informatienauwkeurigheid, het vermijden van valse signalen, en het intercaleren van de interferentie van verschillende optische signalen om doeldetectie of beeldvorming van verschillende cellen en moleculen te bereiken.

Metaalorganische raamwerken (MOF's) zijn een periodiek kristallijn materiaal samengesteld door metaalionen en organische overbruggende liganden om een ​​krachtig hybride platform te bieden om de bestaande uitdagingen van veelkleurige microlasers te overwinnen. De gladde en regelmatige kristalstructuur van de MOF kan efficiënt werken als een optische resonator om optische feedback te geven. In dit werk, Hij et al. demonstreerde de gelijktijdige assemblage van verschillende kleurstofmoleculen op basis van het hostframework ZJU-68 om meerkleurige single-mode lasering te bereiken.

Het MOF-microkristal bevatte een verscheidenheid aan kleurstofmoleculen, de wetenschappers gebruikten eerst een computationele simulatie om het laserpatroon van het materiaal te onthullen voor mogelijke mechanismen voor lasermodus. De resultaten toonden een nieuwe route voor veelkleurige microlasermaterialen in vaste toestand voor fotonische integratie en biochemische detectie of beeldvorming. Het team controleerde de unidirectionele groei van MOF-kristallen om verschillende gastmaterialen / kleurstofmoleculen op de structuur te assembleren en een met kleurstof geassembleerd hiërarchisch hybride metaal-organisch raamwerk te synthetiseren. Tijdens de synthese, eerst, ze zelf-geassembleerde zinkionen (Zn ²⁺ ), een organische linker, en een kleurstofmolecuul om kleurstof 1 te vormen. Daarna dompelden ze de resulterende microkristallen onder in een nieuwe reactieoplossing van Zn ²⁺ en een organische linker met een ander kleurstofmolecuul om kleurstof 2 te vormen. Voor stap drie, ze herhaalden de tweede stap om een ​​driekleurige hiërarchische hybride microkristallijne kleurstof te verkrijgen. Het team combineerde de drie verschillende kleurstofmoleculen, afgekort als DPBDM, DMASM en MMPVP om verschillende soorten hybride MOF-eenkristallen te bereiken. Alle hybride eenkristallen behielden dezelfde hexagonale prismastructuur als die van de zuivere vorm van gastheer ZJU-68-raamwerk, behalve de kleurveranderingen die het gevolg waren van de assemblage van kleurstofmoleculen. De geassembleerde kleurstoffen kwamen overeen met lichtgeel, magenta en paarse kleuren, respectievelijk. Het team voerde poeder-röntgendiffractiepatronen uit van de kleurstof die was geassembleerd op de ZJU-68 hiërarchische microkristallen, die goed overeenkwamen met simulaties.

Meerkleurige fluorescentie en meerkleurige laserprestaties

Het team vergeleek vervolgens het fotoluminescentiespectrum van met kleurstof geassembleerde ZJU-68 hybride kristallen. Om dit te behalen, ze gebruikten een kwiklamp met een 480 nm excitatiefilterset en bepaalden de groene, rode en nabij-infrarode emissiepieken. Met behulp van meerkanaals confocale lasermicroscopie, Hij et al. liet zien hoe het hybride monokristal met drie kleurstoffen kan worden gecombineerd met invallend licht en filtermodules voor gesegmenteerde excitatie, en verschillende kleur fluorescentie signaaluitgang. Het proces voorkwam door aggregatie veroorzaakte uitdovingseffecten tijdens de kleurstofassemblage en ondersteunde energieoverdracht van kleurstofmoleculen met een korte golflengte naar kleurstofmoleculen met een lange golflengte voor een efficiënte emissie-output met meerdere golflengten.

De wetenschappers bestudeerden verder de lasereigenschap van een individueel klein hybride kristal dat de drie kleurstofmoleculen bevat onder een microscoop. Ze gebruikten een 480 nm laserstraal gekoppeld aan de microscoop om een ​​fotoluminescentiesignaal te verzamelen met behulp van een glasvezelspectrometer. Op basis van de resultaten, Hij et al. schreef het driekleurenlasproces toe aan het WGM-mechanisme (fluistergalerijmodus) van het hexagonale prismakristal. Om de mechanismen van de lasermodus in de zeshoekige holte beter te begrijpen, ze voerden optische simulaties uit met behulp van COMSOL Multiphysics-software. Ze merkten op dat de interne reflectie van de zes kristalfacetten kenmerkend was voor het WGM-mechanisme van gesimuleerde diagrammen.

Scanprestaties van lasers in een hybride microkristal

Het team zou het materiaal gelijktijdig kunnen exciteren op de kruising van twee kristalsegmenten om experimenteel heldergroen/rood of rood/NIR-lasing te verkrijgen. Door de unieke opstelling kon een laser van een specifieke kleur of een combinatie van kleuren worden bestuurd in een micro-nano-ruimte voor diverse biofotonische toepassingen. Tot dusver bereikten de wetenschappers drie golflengten, single-mode laseren in het driekleurige hybride kristal met significante laserlichtpolarisatie. Door de emissie-overgangen van deze kleurstofmoleculen op elkaar af te stemmen, Hij et al. significante emissie-anisotropie verkregen (d.w.z. het door de fluoroforen uitgezonden licht had gelijke intensiteiten). Dergelijke anisotrope meerkleurige laserresultaten hebben een groot potentieel voor biochemische detectie of beeldvorming en optische signaalverwerkingstoepassingen.

Op deze manier, Huajun He en collega's ontwikkelden een hiërarchische assemblage van verschillende kleurstofmoleculen in een host-guest hybride proces op een microresonator met een metaalorganisch raamwerk (MOF). Met behulp van het platform, ze bereikten tot drie-golflengte single-mode laseren. Het gesegmenteerde samenstel regelde de kleuruitvoer van de microlaser en loste de nadelige effecten van energieoverdracht tussen verschillende kleurstofmoleculen op. Het driekleuren single-mode laserproces bood een golflengtebereik van zichtbaar tot NIR in een monolithische structuur. Het werk vereenvoudigt het proces van het ontwikkelen van een single-mode laserstructuur voor multimodale biofotonische toepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk