科學家用納米顆粒塗覆的微珠製作出連續發射的微型激光器
研究人員們已經找到了一種將納米顆粒塗覆的微型珠子轉換成比紅血球更小的激光器的方法。
這些將紅外光轉換成更高頻率光的微型激光器是迄今為止報道的同類型中尺寸最小的連續發射激光器，而且即使浸入生物液體（如血清）中，也可以連續且穩定地一次發光數小時。
這項由美國能源部勞倫斯伯克利實驗室（伯克利實驗室）的國際科學家小組發現的創新技術，為利用紅外光成像或控制生物活性以及製造光基計算機晶元開闢了可能性。他們的發現在Nature Nanotechnology上發表的一篇論文（「Continuous-wave upconverting nanoparticle microlasers」）中被詳細闡述。
在左側圖中，由激光打擊的小珠（在圖像頂部顯示的黃色斑點處）產生圍繞珠子內部（粉紅色環）循環的光學模式。在右側圖中，模擬了5微米（百萬分之五米）大小的微珠內部的光場如何分布
這些橫截面直徑只有5微米（百萬分之一米）的激光器的獨特特性是研究人員們在研究聚合物（塑料）珠粒的潛力的過程中偶然發現的，所述聚合物珠粒由在腦部成像過程中使用的被稱為膠質的透明物質組成。
伯克利實驗室分子鑄造研究所的博士後研究員Angel Fernandez-Bravo是該研究的主要作者，他將珠粒與「摻雜」或嵌入銩的納米釔氟化納米顆粒混合在一起，銩屬於被稱為鑭系元素中的一種金屬。Molecular Foundry是一個納米科學研究中心，向世界各地的研究人員開放。
用納米顆粒塗覆的5微米直徑聚苯乙烯珠粒的掃描電子顯微照片圖像（左圖）和顯示珠粒橫截面的透射電子顯微照片圖像（右圖），其中納米顆粒沿著其外表面。左側的比例尺為1微米，右側的比例尺為20納米
Molecular Foundry的科學家Emory Chan在2016年使用了計算模型來預測暴露於特定頻率的紅外激光的銩摻雜的納米顆粒可以以比這種紅外光更高的頻率發射光，這是一種違反常理的「變頻」過程。
當時還是實驗室夏季本科實驗室實習（SULI）項目參與者的Elizabeth Levy注意到，塗有這些「升頻納米顆粒」的微珠以非常特定的波長或顏色發出意料之外的明亮光線。
「這些尖峰顯然是周期性的，並且顯然是可重複的，」Emory Chan說到，他與Foundry Staff科學家Jim Schuck（現在在哥倫比亞大學）和Bruce Cohen共同領導這項研究。
Chan和Levy觀察到的周期性尖峰是一種基於光的類似於所謂的「迴音壁」的聲學效果，這種聲學效果會導致聲波沿著圓形房間的牆壁反彈，因此即使是聲音很小的耳語也能在房間的對面被聽到。例如，在19世紀後期在倫敦聖保羅大教堂的圓頂上觀察到這種迴音壁效應。
在最新的研究中，Fernandez-Bravo和Schuck發現，當紅外激光器沿著微珠的外表面激發摻雜銩的納米顆粒時，納米顆粒發出的光可以在微珠的內表面上不斷反射，就像耳語在大教堂的牆壁上來回反射一樣。
圖示為自組裝2D陣列中微型激光器發出的光的寬視野圖像
光可以在幾分之一秒內圍繞微球周圍進行數千次反射傳播，導致一些光線頻率與自身相互作用（或「干涉」）以產生更亮的光線，而其他頻率會自行消除。這個過程解釋了Chan和Levy觀察到的異常峰值。
當在這些微珠內部傳播的光線強度達到一定的閾值時，光線可以刺激更多的光以完全相同的顏色發射，並且這些刺激產生的光反過來可以激發更多的光。光的放大是所有激光器的基礎，光放大在微珠內以非常窄的波長範圍產生強光。
Schuck認為鑭系元素摻雜的納米粒子可能成為微型激光器的潛在候選者，當Chan與他分享周期性的迴音壁數據時，他相信了這一點。
Fernandez-Bravo發現，當他將微珠暴露在具有足夠功率的紅外激光器中時，珠子變成升頻激光器，其頻率高於原始激光器。微珠可以產生激光，他還發現微珠所耗功率比以往記錄基於納米顆粒的升頻激光器更低。
Fernandez-Bravo說：「低閾值允許這些激光器以比以往激光器低得多的功率連續工作數小時。
其他升頻納米顆粒激光器僅間歇地工作；他們只暴露在短而強大的光線下，因為長時間曝光會損傷它們。
「大多數基於納米粒子的激光器加熱非常快，在幾分鐘內當機，」Schuck說。「我們的激光器始終處於開啟狀態，這使我們能夠針對不同的應用調整信號。」
在這種情況下，研究人員發現，他們的微型激光器連續使用5小時後運行穩定。「我們可以在幾個月或幾年後將這些微珠從架子上拿下來，而且它們仍然在發光。」Fernandez-Bravo說。
研究人員還在探索如何通過簡單地改變微珠的尺寸和組成來仔細調整連續發射的微型激光器的輸出光。他們在稱為WANDA（自動化納米材料發現和分析工作站）的Molecular Foundry中使用了一個機器人系統，以結合不同的摻雜元素和調整納米粒子的性能。
研究人員還指出，微型激光器有許多潛在的應用，例如控制神經元或光學微晶元的活動，感應化學物質以及檢測環境和溫度變化。
「起初這些微型激光器只能在空氣中工作，這很令人沮喪，因為我們想把它們引入到生物系統中，」 Cohen說。 「但我們發現了一種將它們浸入血清中的簡單技巧，用蛋白質包裹在微珠上，使得它們在水中發光。我們現在已經看到，在激光束中的這些珠子可以與細胞一起被捕獲和被我們用來激勵它們的同一激光操控。」
他說，最新的研究以及開闢的新研究路徑表明，這個意外結果是多麼偶然。 「我們恰好碰巧有合適的納米粒子和塗層工藝來生產這些激光器。」Schuck說。
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