Ученые создали микролазер, состоящий из полистирольной микросферы, покрытой слоем наночастиц смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Такой микролазер может поглощать непрерывное инфракрасное излучение, преобразуя его в периодические импульсы с большей энергией. Спектральные характеристики, мощности возбуждающего излучения и возможность долгой непрерывной работы делают такие частицы перспективным микроустройством для биологического и медицинского анализа, пишут ученые в Nature Nanotechnology.

Размер лазеров — источников монохроматического электромагнитного излучения — может варьироваться от микрометров до нескольких десятков метров в зависимости от используемого материала, мощности получаемого светового пучка и конфигурации устройства. Самые маленькие лазеры обычно представляют собой небольшие частицы, состоящие из полупроводниковых материалов, которые образуют микродиод или оптический микрорезонатор, способный поглощать свет одной частоты и переизлучать его в виде более мощных импульсов другой частоты. Использоваться такие частицы могут при создании микропроцессоров или для химического анализа в микросистемах — как естественного, так и искусственного происхождения. Однако из-за очень небольшого размера оптических микрорезонаторов могут заметно увеличиваться энергетические потери — это сильно снижает эффективность таких микроустройств и требует довольно мощных источников возбуждающего излучения, что делает многие из таких лазеров неприменимыми, например, для медицинского или биологического анализа.

Группа исследователей из США, Италии и Казахстана под руководством Джеймса Щука (P. James Schuck) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли предложила новый тип эффективных микролазеров, состоящих из полистирольной сферы размером пять микрометров, покрытой наночастицами смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Известно, что полистирольная микросфера может использоваться в качестве оптического микрорезонатора с эффектом шепчущей галереи для излучения в инфракрасном и видимом диапазонах спектра. А наночастицы с ионами некоторых металлов-лантанидов (в частности, с ионами тулия Tm3+) за счет своей энергетической структуры могут поглощать свет с одной частотой, испуская после этого фотоны с большей частотой, то есть повышая их энергию. Так, в случае ионов тулия происходит поглощение нескольких фотонов с длиной волны 1064 нанометра и испускание фотонов с длинами волн 800 и 470 нанометров (причем первых — больше, чем вторых).

Фотография микролазера — полистирольной микросферы, покрытой наночастицами (слева) и увеличенное изображение среза ее поверхности (справа). Масштабная линейка на изображении слева — 1 микрометр. A. Fernandez-Bravo et al./ Nature Nanotechnology, 2018

Таким образом, вся эта система, состоящая из микросферы, покрытой наночастицами, может поглощать непрерывное излучение в инфракрасной области, после чего на наночастицах происходит переиспускание фотонов с одной из двух длин волн меньше изначальной. Затем эти фотоны попадают в полистирольный микрорезонатор, а оттуда после многократных переотражений от внутренних стенок и интерференции между собой свет излучается в виде отдельных монохроматических импульсов повышенной интенсивности. По словам ученых, основное достоинство такого лазера — возможность непрерывно излучать свет в ближней инфракрасной (800 нанометров) и видимой (470 нанометров) частях спектра в течение нескольких (до пяти) часов.

Принципиальная схема работы микролазера. A. Fernandez-Bravo et al./ Nature Nanotechnology, 2018

Мощность излучения, необходимого для возбуждения такого лазера, составляет всего 14 киловатт на квадратный сантиметр. При этом длина волны возбуждающего излучения позволяет ему свободно проходить сквозь биологические среды, а размер микросферы дает возможность вводить микролазер в ткани или внутрь живого организмы, поэтому такое устройство можно использовать для анализа биологических молекул, в частности в медицинских целях. В качестве примера ученые показали, как в сыворотке крови такой лазер помогает детектировать, связывать и анализировать движение молекул некоторых белков или ДНК.

Ученые утверждают, что предложенный ими микролазер, способный повышать частоту излучения, способен к значительно более долгой устойчивой работе по сравнению с другими аналогичными устройствами. По словам авторов, использовать такой микролазер можно как внутри живых организмов для медицинского анализа, так и, например, для создания фотонных компьютеров. 

Если в подобных микролазерах использовать сферы, состоящие не из полистирола, а из монокристаллических материалов, то можно значительно увеличить время жизни одного фотона внутри таких частиц. Например, недавно французские физики предложили использовать для этого фторидные стекла, допированные эрбием. Из-за эффекта осцилляций когерентных популяций время жизни фотона в таком микрорезонаторе может достигать около 2,5 миллисекунд.

Автор: Александр Дубов