Emisión láser de umbral ultra bajo en microesferas orgánicas de polímero con el factor de calidad más alto reportado hasta el momento

22.07.2024

Microesfera hecha con una mezcla de polímeros y con un alto factor de calidad, que emite luz (arriba izquierda). Crédito: Jorge González-Sierra.

• Investigadores de IMDEA Nanociencia fabrican microesferas de alta calidad a partir de mezclas de polímeros orgánicos conjugados con excelentes propiedades de láser.
• La emisión láser de las microesferas cuenta con el factor de calidad más alto reportado hasta la fecha, Q>18.000.
• Su umbral de láser ultra bajo y su reducido ancho de banda hacen de las microesferas dispositivos ideales para la detección ultrasensible.

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Madrid, 22 de julio, 2024. Los microrresonadores ópticos confinan y concentran la luz en una pequeña trayectoria circular debido a las múltiples reflexiones internas, donde la luz interfiere constructivamente para ciertas longitudes de onda. Estos microrresonadores ofrecen la posibilidad de lograr el control del confinamiento y la propagación de la luz mediante un ajuste preciso de su forma, tamaño e índice de refracción. Entre ellos, los resonadores dieléctricos esféricos son particularmente interesantes debido a sus altos factores Q (relación entre la frecuencia de resonancia y su ancho de banda) de las correspondientes resonancias de Mie, o de los llamados "modos de galería susurrante" (en inglés, whispering gallery modes). El factor Q es, en esencia, una medida de qué tan bien se puede atrapar la luz en la microesfera a lo largo del tiempo. Los factores Q altos corresponden a anchos de línea de láser muy reducidos, una característica deseable al diseñar aplicaciones láser.

Las resonancias estrechas permiten aplicaciones en el campo de la detección óptica, incluidos dispositivos con alta sensibilidad a pequeñas variaciones físicas o químicas en el campo óptico cercano de los resonadores. Además, los factores Q altos facilitan las aplicaciones en el campo de la emisión espontánea amplificada y emisión láser de microesferas hechas con materiales luminiscentes.

Hasta ahora, se han reportado microláseres basados en polímeros conjugados con factores Q típicos alrededor de 1.000. Los polímeros conjugados se han convertido en materiales orgánicos adecuados para fabricar láseres por sus excelentes propiedades optoeléctricas y por su fácil procesabilidad. Entre todas las geometrías de resonadores posibles, las microesferas hechas de polímeros conjugados combinan una gran absorción óptica con un alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, lo que permite un aumento del brillo con respecto a las microesferas disponibles comercialmente, dopadas con colorante, en las mismas condiciones de fotoexcitación.

Las microesferas preparadas en IMDEA Nanociencia exhiben emisión láser con el factor de calidad más alto reportado hasta la fecha, Q> 18.000 y además con umbrales de emisión ultrabajos.

Investigadores en IMDEA Nanociencia, liderados por el Dr. Reinhold Wannemacher y el Dr. Juan Cabanillas, han preparado microesferas basadas en mezclas de polímeros conjugados que exhiben emisión láser con el factor de calidad más alto reportado hasta la fecha, Q> 18.000 y además con umbrales de emisión ultrabajos. Los umbrales bajos de emisión láser reportados se deben a la transferencia de energía (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) entre los constituyentes poliméricos de las mezclas, un mecanismo que reduce la absorción residual en la longitud de onda del láser. Estos umbrales de emisión tan bajos son prometedores para el desarrollo de microláseres que puedan ser bombeados por diodos de bajo coste.

Ambos efectos juntos, el umbral de emisión bajo y el ancho de línea láser muy estrecho, permiten la detección ultrasensible de variaciones de parámetros físicos (pH, temperatura), así como de la composición química, en el entorno de las microesferas. Y en el caso de las microesferas con superficies funcionalizadas por grupos orgánicos específicos, permitirían la detección ultrasensible y altamente específica de biomoléculas. Esto último es muy relevante para el desarrollo de biodetectores portátiles y de bajo coste que permitan un diagnóstico rápido de enfermedades en los puntos de atención.

Este trabajo se ha llevado a cabo en IMDEA Nanociencia y está parcialmente financiado por el sello de Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia por el Ministerio de Ciencia e Innovación en 2017 y 2021.

Referencia:

J. González Sierra, A. Martin-Merinero, J. Álvarez-Conde, S. Iglesias Vázquez, J. Cabanillas-González, R. Wannemacher, High Q Ultra-Low Threshold Lasing in Conjugated Polymer Blend Microspheres Promoted by FRET. Adv. Optical Mater. 2400161 (2024). DOI: 10.1002/adom.202400161

https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3642

Contacto:

Reinhold Wannemacher
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Nanooptics and Nanoacoustics Group

Juan Cabanillas
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Pump-probe Photoinduced Absorption Spectroscopies Group
https://nanociencia.imdea.org/pump-probe-and-photoinduced-absorption-spectroscopies/home

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Fuente: IMDEA Nanociencia.