Los microláseres polarizados monomodo multicolores que contienen un rango de salida desde la luz visible hasta el infrarrojo cercano tienen aplicaciones importantes en la integración fotónica y en aplicaciones de imágenes o detección química multimodal. Sin embargo, tales dispositivos son muy difíciles de realizar en la práctica. En un nuevo informe, Huajun He y un equipo de investigación en física, ciencia y química de materiales en Singapur, China y EE. UU., desarrolló un solo cristal con múltiples segmentos para generar controlado, modo singular, láser de infrarrojo cercano (NIR). Múltiples segmentos del monocristal se basaron en un marco orgánico metálico (MOF) hibridado con moléculas de colorante adecuadas para verde, láser rojo e infrarrojo cercano simulado computacionalmente. El ensamblaje segmentado de diferentes moléculas de colorante en el microcristal hizo que actuara como un resonador acortado para lograr dinámica, láser monomodo multicolor con un umbral bajo de láser de tres colores (rojo, verde y NIR). Los hallazgos abrirán una nueva ruta para explorar monomodo, micro / nanoláseres construidos con ingeniería MOF para aplicaciones biofotónicas. El trabajo ahora está publicado en Naturaleza Luz:ciencia y aplicaciones .

Detección láser polarizada monomodo multicolor con estructuras orgánicas metálicas (MOF)

La detección o generación de imágenes láser polarizado monomodo multicolor es una tecnología de diagnóstico prometedora que aún no se ha desarrollado de manera efectiva en la práctica. Diferentes tejidos biológicos, las células o los productos bioquímicos tienen diferentes ópticas, Respuestas térmicas y acústicas a diferentes longitudes de onda de luz. Como resultado, La fuente de luz con salida multicolor de banda ancha puede proporcionar la base fundamental para la detección o generación de imágenes multimodales o multidimensionales. Las propiedades de polarización de la luz brindan la oportunidad de procesar señales dispersas para obtener información estructural rica en materiales biológicos. Los micro / nanoláseres monomodo pueden cumplir con las aplicaciones necesarias de los dispositivos fotónicos miniaturizados; que incluyen una alta precisión de la información, evitando señales falsas, e intercalar la interferencia de diferentes señales ópticas para lograr la detección del objetivo o la formación de imágenes de diferentes células y moléculas.

Las estructuras metálicas orgánicas (MOF) son un material cristalino periódico ensamblado por iones metálicos y ligandos de puente orgánicos para proporcionar una poderosa plataforma híbrida para superar los desafíos existentes de los microláseres multicolores. La estructura cristalina suave y regular del MOF puede actuar eficientemente como un resonador óptico para proporcionar retroalimentación óptica. En este trabajo, He et al. demostró el ensamblaje simultáneo de diferentes moléculas de colorante basadas en el marco del anfitrión ZJU-68 para lograr láser multicolor monomodo.

El microcristal MOF contenía una variedad de moléculas de tinte, Los científicos utilizaron por primera vez una simulación computacional para revelar el patrón láser del material para posibles mecanismos de modo láser. Los resultados mostraron una nueva ruta para materiales multicolores de micro-láser de estado sólido para integración fotónica y detección o formación de imágenes bioquímicas. El equipo controló el crecimiento unidireccional de los cristales de MOF para ensamblar diferentes materiales invitados / moléculas de tinte en la estructura y sintetizó un marco orgánico de metal híbrido jerárquico ensamblado por tinte. Durante la síntesis, primero, ellos autoensamblaron iones de zinc (Zn ²⁺ ), un enlazador orgánico, y una molécula de tinte para formar el tinte 1. Luego sumergieron los microcristales resultantes en una nueva solución de reacción de Zn ²⁺ y un enlazador orgánico con una molécula de tinte diferente para formar el tinte 2. Para el paso tres, repitieron el segundo paso para obtener un tinte de microcristales híbrido jerárquico de tres colores. El equipo combinó las tres moléculas de tinte diferentes abreviadas como DPBDM, DMASM y MMPVP para lograr diferentes tipos de monocristales híbridos de MOF. Todos los monocristales híbridos mantuvieron la misma estructura de prisma hexagonal que la forma pura de la estructura del huésped ZJU-68, excepto por los cambios de color que resultaron del ensamblaje de la molécula de colorante. Los tintes ensamblados correspondían a amarillo claro, colores magenta y morado, respectivamente. El equipo realizó patrones de difracción de rayos X en polvo del tinte ensamblado en los microcristales jerárquicos ZJU-68, que estaban de acuerdo con las simulaciones.

Fluorescencia multicolor y rendimiento láser multicolor

Luego, el equipo comparó el espectro de fotoluminiscencia de los cristales híbridos ZJU-68 ensamblados con tinte. Lograr esto, utilizaron una lámpara de mercurio con un filtro de excitación de 480 nm y determinaron el verde, picos de emisión de rojo e infrarrojo cercano. Usando microscopía láser confocal multicanal, He et al. mostró cómo el monocristal híbrido con tres tintes podría combinarse con luz incidente y módulos de filtro para la excitación segmentada, y salida de señal de fluorescencia de diferente color. El proceso evitó los efectos de extinción causados ​​por la agregación durante el ensamblaje del tinte y ayudó a la transferencia de energía de las moléculas de tinte de longitud de onda corta a las moléculas de tinte de longitud de onda larga para una salida de emisión de múltiples longitudes de onda eficiente.

Los científicos estudiaron más a fondo la propiedad láser de un pequeño cristal híbrido individual que contiene las tres moléculas de tinte bajo un microscopio. Utilizaron un rayo láser de 480 nm acoplado al microscopio para recolectar una señal de fotoluminiscencia usando un espectrómetro de fibra óptica. Según los resultados, He et al. atribuyó el proceso de láser de tres colores al mecanismo de modo de galería susurrante (WGM) del cristal de prisma hexagonal. Para comprender mejor los mecanismos del modo láser en la cavidad hexagonal, realizaron simulaciones ópticas utilizando el software COMSOL Multiphysics. Observaron que el reflejo interno de las seis facetas del cristal es característico del mecanismo WGM de diagramas simulados.

Rendimiento del láser de escaneo en un microcristal híbrido

El equipo pudo excitar simultáneamente el material en la unión de dos segmentos de cristal para obtener experimentalmente láser verde / rojo o rojo / NIR brillante. La configuración única permitió controlar un láser de un color específico o una combinación de colores en un micro-nanoespacio para diversas aplicaciones biofotónicas. Hasta ahora, los científicos lograron tres longitudes de onda, láser monomodo en el cristal híbrido de tres colores con polarización de luz láser significativa. Al alinear las transiciones de emisión de estas moléculas de tinte, He et al. obtuvo una anisotropía de emisión significativa (es decir, la luz emitida por los fluoróforos tenía intensidades iguales). Estos resultados de láser multicolor anisotrópico tienen un gran potencial para aplicaciones de procesamiento de señales ópticas o detección bioquímica o de imágenes.

De este modo, Huajun He y sus colegas desarrollaron un ensamblaje jerárquico de diferentes moléculas de colorante en un proceso híbrido huésped-huésped en un microrresonador de marco orgánico metálico (MOF). Usando la plataforma, lograron láser monomodo de hasta tres longitudes de onda. El ensamblaje segmentado controló la salida de color del micro-láser y resolvió los efectos adversos de la transferencia de energía entre diferentes moléculas de tinte. El proceso láser monomodo de tres colores ofrecía un rango de longitud de onda desde visible hasta NIR en una estructura monolítica. El trabajo simplifica el proceso de desarrollo de una estructura láser monomodo para aplicaciones biofotónicas multimodales.

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