Forscher bei IMDEA Nanociencia haben hochwertige Mikrokugeln aus konjugierten organischen Polymermischungen mit hervorragenden Lasereigenschaften hergestellt. Die Laseremission der Mikrokugeln weist den höchsten bisher bekannten Qualitätsfaktor auf, Q>18.000.
Dielektrische optische Mikroresonatoren beschränken und konzentrieren Licht in einem winzigen kreisförmigen Pfad aufgrund mehrfacher nahezu vollständiger interner Reflexionen an der gekrümmten Dielektrikum-Luft-Grenzfläche, wo Licht bei bestimmten Wellenlängen konstruktiv interferiert. Diese Mikroresonatoren bieten die Möglichkeit, die Lichtbeschränkung und -ausbreitung durch präzise Anpassung ihrer Form, Größe und ihres Brechungsindex zu steuern.
Unter ihnen sind sphärische Resonatoren aufgrund ihrer hohen Q-Faktoren (Verhältnis der Resonanzfrequenz zu ihrer Bandbreite) der entsprechenden Mie-Resonanzen oder „Flüstergaleriemodi“ besonders interessant.
Der Q-Faktor ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie gut Licht im Laufe der Zeit in der Mikrokugel eingefangen werden kann, und hohe Q-Faktoren entsprechen schmalen Laserlinienbreiten, ein erwünschtes Merkmal bei der Entwicklung von Laseranwendungen.
Die schmalen Resonanzen ermöglichen Anwendungen im Bereich der optischen Sensorik, einschließlich Geräten mit hoher Empfindlichkeit gegenüber kleinen physikalischen oder chemischen Schwankungen im optischen Nahfeld der Resonatoren. Hohe Q-Faktoren ebnen außerdem den Weg für Anwendungen im Bereich der verstärkten spontanen Emission und des Laserns von Mikrokugeln aus lumineszierenden Materialien.
Bisher wurden Mikrolaser auf Basis konjugierter Polymere mit typischen Q-Faktoren um 1.000 gemeldet. Konjugierte Polymere haben sich aufgrund ihrer hervorragenden optoelektrischen Eigenschaften und einfachen Verarbeitbarkeit als hervorragende organische Lasermaterialien erwiesen.
Unter allen Resonatorgeometrien vereinen Mikrokügelchen aus konjugierten Polymeren eine große optische Absorption mit einer hohen Photolumineszenzquantenausbeute und ermöglichen unter denselben Photoanregungsbedingungen eine höhere Helligkeit im Vergleich zu handelsüblichen, farbstoffdotierten Mikrokügelchen.
Forscher am Institut IMDEA Nanociencia (Madrid, Spanien) unter der Leitung von Dr. Reinhold Wannemacher und Dr. Juan Cabanillas haben nun von Mikrokügelchen auf Basis konjugierter Polymermischungen berichtet, die Lasereffekte mit dem bislang höchsten bekannten Qualitätsfaktor von Q> 18.000 aufweisen.
Die berichteten niedrigen Laserschwellenwerte beruhen auf dem Energietransfer (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) zwischen den Polymerbestandteilen der Mischungen, einem Mechanismus, der die Restabsorption bei der Laserwellenlänge verringert. Derart niedrige Schwellenwerte sind vielversprechend für die Entwicklung von Mikrolasern, die mit kostengünstigen Laserdioden gepumpt werden können.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht In Fortschrittliche optische Materialien.
Niedrige Schwellenwerte und schmale Laserlinienbreiten ermöglichen zusammen eine hochempfindliche Erkennung von Änderungen physikalischer Parameter (pH-Wert, Temperatur) sowie der chemischen Zusammensetzung der Umgebung der Mikrokügelchen und – im Fall von Mikrokügelchen, deren Oberflächen mit bestimmten organischen Gruppen funktionalisiert sind – eine hochempfindliche und hochspezifische Erkennung von Biomolekülen.
Letzteres ist von großer Bedeutung für die Entwicklung tragbarer und kostengünstiger Biodetektoren, die eine schnelle Diagnose von Krankheiten direkt vor Ort ermöglichen würden.
Mehr Informationen:
Jorge González Sierra et al., High Q Ultra-Low Threshold Lasering in Conjugated Polymer Blend Microspheres gefördert durch FRET, Fortschrittliche optische Materialien (2024). DOI: 10.1002/adom.202400161