Los dispositivos de emisión de luz ultravioleta potentes y coherentes tienen un enorme potencial de aplicación médica e industrial, pero generar una emisión de luz ultravioleta de manera eficaz ha sido un desafío. Recientemente, un equipo de investigación colaborativo codirigido por investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) desarrolló un nuevo enfoque para generar láser ultravioleta profundo a través de un procesamiento de "dominó de conversión ascendente" de nanopartículas utilizando luz infrarroja cercana, que se usa comúnmente en dispositivos de telecomunicaciones. Los resultados proporcionan una solución para la construcción de láseres de alta energía miniaturizados para biodetección y dispositivos fotónicos.

En el mundo de los nanomateriales, la "conversión ascendente de fotones" significa que cuando el nanomaterial es excitado por luz o fotones con una longitud de onda larga y baja energía, emite luz con una longitud de onda más corta y mayor energía, como la luz ultravioleta.

Desafío para lograr la conversión ascendente de fotones

La conversión ascendente de fotones, caracterizada por la emisión de alta energía tras la excitación de fotones de baja energía, tiene un interés excepcional entre los científicos. Esto se debe a que tiene potencial para la construcción rentable de dispositivos miniaturizados de emisión ultravioleta profunda, que tienen un enorme potencial de aplicación médica e industrial, como la esterilización microbiana y la instrumentación biomédica. Sin embargo, el proceso de conversión ascendente de fotones tiene una flexibilidad limitada, ya que ocurre principalmente en iones de lantánidos especiales que comprenden conjuntos fijos de niveles de energía.

Un equipo de investigación codirigido por el profesor Wang Feng, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y el profesor Chu Sai-tak, del Departamento de Física de CityU, junto con el Dr. Jin Limin del Instituto de Tecnología de Harbin (Shenzhen), superó el obstáculo mediante la introducción de una táctica de "conversión ascendente de dominó".

Diseño estructural especial de nanopartículas

La conversión ascendente de Domino es como una reacción en cadena, en la que la energía acumulada en un curso de conversión ascendente desencadena otro proceso de conversión ascendente exitoso. Mediante el uso de un microrresonador en forma de rosquilla, incorporado con "nanopartículas de conversión ascendente" especialmente diseñadas, el equipo generó con éxito una emisión de luz ultravioleta profunda de alta energía a 290 nm mediante la excitación de fotones infrarrojos de baja energía a 1550 nm.

"Como la longitud de onda de excitación estaba en el rango de longitud de onda de las telecomunicaciones, las nanopartículas se pueden usar e integrar fácilmente en los circuitos fotónicos y de comunicación de fibra óptica existentes sin modificaciones o adaptaciones complicadas", dijo el profesor Wang. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Communications , titulado "Ultralarge anti-Stokes láser mediante conversión ascendente en tándem".

La idea de construir una "conversión ascendente de dominó" se inspiró en un estudio previo sobre la transferencia de energía en nanopartículas de núcleo y cubierta realizado por los profesores Wang y Chu. El diseño de la estructura núcleo-carcasa de la nanopartícula permite el proceso de luminiscencia multifotónica en erbio (Er ³⁺ ) iones. Al adaptar un protocolo sintético similar, el equipo construyó con éxito nanopartículas "núcleo-capa-capa" a través de un método de química húmeda para explorar el mecanismo de transferencia de energía de los iones lantánidos, incluido el tulio (Tm ³⁺ ) iones.

Microrresonador en forma de dona

A través del cuidadoso diseño de la composición y concentración del dopaje en diferentes capas o cubiertas de nanopartículas de conversión ascendente, el equipo logró con éxito una combinación en tándem de Er ³⁺ y Tm ³⁺ procesos de upconversion basados ​​en iones (domino upconversion). En el experimento, el Er ³⁺ Los iones contenidos en la capa exterior respondieron a la excitación de fotones del infrarrojo cercano de 1550 nm, una longitud de onda ubicada en el rango de las telecomunicaciones. Al incorporar las nanopartículas en una cavidad de microrresonador en forma de rosquilla, el equipo generó además un microláser ultravioleta de alta calidad, demostrando una acción láser a 289 nm por excitación de 1550 nm.

"Las nanopartículas de conversión ascendente actúan como 'convertidores de longitud de onda' para multiplicar la energía de los fotones infrarrojos incidentes", explicó el profesor Wang. Espera que los hallazgos allane el camino para la construcción de láseres de longitud de onda corta miniaturizados y dice que pueden inspirar nuevas ideas para el diseño de circuitos fotónicos. Agregó que el láser ultravioleta miniaturizado que utiliza esta tecnología de conversión dominó puede proporcionar una plataforma para la biodetección sensible, como la detección de la secreción de células cancerosas, al monitorear la intensidad y el umbral del láser, lo que ofrece un gran potencial de aplicación biomédica en el futuro. + Explora más

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