Des chercheurs de l’IMDEA Nanociencia ont fabriqué des microsphères de haute qualité à partir de mélanges de polymères organiques conjugués dotés d’excellentes propriétés laser. L’émission laser des microsphères présente le facteur de qualité le plus élevé jamais enregistré à ce jour, Q>18 000.
Les microrésonateurs optiques diélectriques confinent et concentrent la lumière dans un minuscule trajet circulaire grâce à de multiples réflexions internes quasi totales à l’interface diélectrique-air incurvée, où la lumière interfère de manière constructive pour certaines longueurs d’onde. Ces microrésonateurs offrent la possibilité de contrôler le confinement et la propagation de la lumière grâce à un réglage précis de leur forme, de leur taille et de leur indice de réfraction.
Parmi eux, les résonateurs sphériques sont particulièrement intéressants en raison de leurs facteurs Q élevés (rapport de la fréquence de résonance sur sa bande passante) des résonances Mie correspondantes, ou « modes de galerie chuchotante ».
Le facteur Q est essentiellement une mesure de la capacité de la lumière à être piégée dans la microsphère au fil du temps et des facteurs Q élevés correspondent à des largeurs de ligne laser étroites, une caractéristique souhaitée lors de la conception d’applications laser.
Les résonances étroites permettent des applications dans le domaine de la détection optique, notamment des dispositifs à haute sensibilité aux petites variations physiques ou chimiques dans le champ proche optique des résonateurs. De plus, les facteurs Q élevés ouvrent la voie à des applications dans le domaine de l’émission spontanée amplifiée et de l’émission laser de microsphères fabriquées avec des matériaux luminescents.
Jusqu’à présent, les microlasers basés sur des polymères conjugués ont été rapportés avec des facteurs Q typiques d’environ 1 000. Les polymères conjugués sont apparus comme d’excellents matériaux laser organiques pour leurs propriétés optoélectriques exceptionnelles et leur facilité de traitement.
Parmi toutes les géométries de résonateur, les microsphères constituées de polymères conjugués combinent une grande absorption optique avec un rendement quantique de photoluminescence élevé, permettant une augmentation de la luminosité par rapport aux microsphères commerciales dopées par colorant dans les mêmes conditions de photoexcitation.
Des chercheurs de l’Institut IMDEA Nanociencia (Madrid, Espagne), dirigés par le Dr Reinhold Wannemacher et le Dr Juan Cabanillas, ont maintenant rapporté des microsphères à base de mélanges de polymères conjugués présentant un effet laser avec le facteur de qualité le plus élevé signalé à ce jour, Q> 18 000.
Les faibles seuils d’émission laser rapportés sont basés sur le transfert d’énergie (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) entre les composants polymères des mélanges, un mécanisme qui réduit l’absorption résiduelle à la longueur d’onde d’émission laser. Ces faibles seuils sont prometteurs pour le développement de microlasers pouvant être pompés par des diodes laser à faible coût.
Les résultats ont été publié dans Matériaux optiques avancés.
Ensemble, les seuils bas et les largeurs de raie laser étroites permettent une détection ultrasensible des variations des paramètres physiques (pH, température) ainsi que de la composition chimique de l’environnement des microsphères et, dans le cas de microsphères avec des surfaces fonctionnalisées par des groupes organiques spécifiques, une détection ultra-sensible et hautement spécifique des biomolécules.
Ce dernier est très pertinent pour le développement de biodétecteurs portables et peu coûteux, qui permettraient un diagnostic rapide des maladies aux points de soins.
Plus d’information:
Jorge González Sierra et al, Laser à seuil ultra-bas à Q élevé dans des microsphères de mélange de polymères conjugués promues par FRET, Matériaux optiques avancés (2024). DOI: 10.1002/adom.202400161