I microlaser multicolori polarizzati monomodali contenenti un intervallo di uscita dalla luce visibile al vicino infrarosso hanno applicazioni significative nell'integrazione fotonica e nelle applicazioni di imaging o rilevamento chimico multimodale. Però, tali dispositivi sono molto difficili da realizzare in pratica. In un nuovo rapporto, Huajun He e un gruppo di ricerca in fisica, scienza dei materiali e chimica a Singapore, Cina e Stati Uniti, sviluppato un singolo cristallo con più segmenti per generare controllato, modalità singola, laser nel vicino infrarosso (NIR). Segmenti multipli del singolo cristallo erano basati su una struttura metallica organica (MOF) ibridata con molecole di colorante adatte per il verde, laser rosso e vicino infrarosso simulato computazionalmente. L'assemblaggio segmentato di diverse molecole di colorante nel microcristallo ha fatto sì che agisse come un risonatore accorciato per ottenere dinamiche, laser monomodale multicolore con una soglia di laser a tre colori bassa (rosso, verde e NIR). I risultati apriranno un nuovo percorso per esplorare la modalità singola, micro/nanolaser costruiti con ingegneria MOF per applicazioni biofotoniche. L'opera è ora pubblicata su Natura Luce:scienza e applicazioni .

Rilevamento laser polarizzato monomodale multicolore con strutture metalliche organiche (MOF)

Il rilevamento o l'imaging laser polarizzato monomodale multicolore è una tecnologia diagnostica promettente che deve ancora essere efficacemente sviluppata nella pratica. Diversi tessuti biologici, cellule o sostanze biochimiche hanno ottiche diverse, risposte termiche e acustiche alle diverse lunghezze d'onda della luce. Di conseguenza, una sorgente luminosa con uscita multicolore a banda larga può fornire la base fondamentale per il rilevamento o l'imaging multimodale o multidimensionale. Le proprietà di polarizzazione della luce offrono l'opportunità di elaborare segnali sparsi per informazioni strutturali ricche di materiali biologici. I micro/nanolaser monomodali possono soddisfare le applicazioni richieste dei dispositivi fotonici miniaturizzati; che includono un'elevata precisione delle informazioni, evitare falsi segnali, e intercalare l'interferenza di diversi segnali ottici per ottenere il rilevamento del bersaglio o l'imaging di diverse cellule e molecole.

Le strutture metalliche organiche (MOF) sono un materiale cristallino periodico assemblato da ioni metallici e ligandi a ponte organici per fornire una potente piattaforma ibrida per superare le sfide esistenti dei microlaser multicolori. La struttura cristallina liscia e regolare del MOF può agire efficacemente come risonatore ottico per fornire feedback ottico. In questo lavoro, Lui e altri. ha dimostrato l'assemblaggio simultaneo di diverse molecole di colorante basate sul framework host ZJU-68 per ottenere laser monomodali multicolori.

Il microcristallo MOF conteneva una varietà di molecole di colorante, gli scienziati hanno prima utilizzato una simulazione computazionale per rivelare il modello laser del materiale per possibili meccanismi di modalità laser. I risultati hanno mostrato un nuovo percorso per i materiali micro-laser a stato solido multicolore per l'integrazione fotonica e il rilevamento o l'imaging biochimico. Il team ha controllato la crescita unidirezionale dei cristalli MOF per assemblare diversi materiali ospiti/molecole di colorante sulla struttura e ha sintetizzato una struttura gerarchica ibrida metallo-organica assemblata con coloranti. Durante la sintesi, primo, hanno autoassemblato ioni di zinco (Zn ²⁺ ), un linker organico, e una molecola di colorante per formare il colorante 1. Quindi hanno immerso i microcristalli risultanti in una nuova soluzione di reazione di Zn ²⁺ e un linker organico con una molecola di colorante diversa per formare il colorante 2. Per la fase tre, hanno ripetuto il secondo passaggio per ottenere un colorante microcristallino ibrido gerarchico a tre colori. Il team ha combinato le tre diverse molecole di colorante abbreviate come DPBDM, DMASM e MMPVP per ottenere diversi tipi di cristalli singoli MOF ibridi. Tutti i cristalli singoli ibridi hanno mantenuto la stessa struttura prismatica esagonale rispetto a quella della forma pura della struttura ZJU-68 ospite, ad eccezione dei cambiamenti di colore risultanti dall'assemblaggio della molecola del colorante. I coloranti assemblati corrispondevano al giallo chiaro, colori magenta e viola, rispettivamente. Il team ha condotto modelli di diffrazione dei raggi X in polvere del colorante assemblato sui microcristalli gerarchici ZJU-68, che erano in buon accordo con le simulazioni.

Fluorescenza multicolore e prestazioni laser multicolore

Il team ha quindi confrontato lo spettro di fotoluminescenza dei cristalli ibridi ZJU-68 assemblati con colorante. Per realizzare questo, hanno usato una lampada al mercurio con un set di filtri di eccitazione da 480 nm e hanno determinato il verde, picchi di emissione del rosso e del vicino infrarosso. Utilizzando la microscopia laser confocale multicanale, Lui e altri. ha mostrato come il monocristallo ibrido con tre coloranti potesse essere combinato con luce incidente e moduli di filtro per l'eccitazione segmentata, e uscita del segnale di fluorescenza di colore diverso. Il processo ha impedito gli effetti di spegnimento causati dall'aggregazione durante l'assemblaggio del colorante e ha assistito il trasferimento di energia da molecole di colorante a lunghezza d'onda corta a molecole di colorante a lunghezza d'onda lunga per un'emissione efficiente a più lunghezze d'onda.

Gli scienziati hanno ulteriormente studiato la proprietà laser di un singolo piccolo cristallo ibrido contenente le tre molecole di colorante al microscopio. Hanno usato un raggio laser da 480 nm accoppiato al microscopio per raccogliere un segnale di fotoluminescenza utilizzando uno spettrometro a fibra ottica. In base ai risultati, Lui e altri. attribuito il processo laser a tre colori al meccanismo della modalità galleria sussurrante (WGM) del cristallo prisma esagonale. Per comprendere ulteriormente i meccanismi della modalità laser nella cavità esagonale, hanno condotto simulazioni ottiche utilizzando il software COMSOL Multiphysics. Hanno notato che la riflessione interna delle sei sfaccettature del cristallo è caratteristica del meccanismo WGM dei diagrammi simulati.

Prestazioni laser di scansione in un microcristallo ibrido

Il team potrebbe eccitare simultaneamente il materiale alla giunzione di due segmenti di cristallo per ottenere sperimentalmente un laser verde/rosso brillante o rosso/NIR. La configurazione unica ha permesso di controllare un laser di un colore specifico o una combinazione di colori in un micro-nano-spazio per diverse applicazioni biofotoniche. Finora gli scienziati hanno ottenuto tre lunghezze d'onda, laser monomodale nel cristallo ibrido a tre colori con una significativa polarizzazione della luce laser. Allineando le transizioni di emissione di queste molecole di colorante, Lui e altri. ottenuto una significativa anisotropia di emissione (cioè la luce emessa dai fluorofori aveva uguale intensità). Tali risultati di laser multicolori anisotropi hanno un grande potenziale per applicazioni di rilevamento o imaging biochimico e di elaborazione del segnale ottico.

In questo modo, Huajun He e colleghi hanno sviluppato un assemblaggio gerarchico di diverse molecole di colorante in un processo ibrido host-guest su un micro-risonatore a struttura metallica organica (MOF). Utilizzando la piattaforma, hanno raggiunto raggi laser monomodali fino a tre lunghezze d'onda. L'assieme segmentato controllava la resa cromatica del micro-laser e risolveva gli effetti negativi del trasferimento di energia tra le diverse molecole di colorante. Il processo di laser monomodale a tre colori ha offerto una gamma di lunghezze d'onda dal visibile al NIR in una struttura monolitica. Il lavoro semplifica il processo di sviluppo di una struttura laser monomodale per applicazioni biofotoniche multimodali.

© 2020 Scienza X Rete