Os microlasers polarizados multicolores de modo único contendo uma faixa de saída da luz visível ao infravermelho próximo têm aplicações significativas em integração fotônica e sensoriamento químico multimodal ou aplicações de imagem. Contudo, tais dispositivos são muito difíceis de realizar na prática. Em um novo relatório, Huajun He e uma equipe de pesquisa em física, ciência de materiais e química em Cingapura, China e EUA, desenvolveu um único cristal com vários segmentos para gerar modo único, lasing infravermelho próximo (NIR). Vários segmentos do cristal único foram baseados em uma estrutura orgânica de metal (MOF) hibridizada com moléculas de corante adequadas para verde, lasing vermelho e infravermelho próximo como simulado computacionalmente. A montagem segmentada de diferentes moléculas de corante no microcristal fez com que ele atuasse como um ressonador encurtado para atingir a dinâmica, lasing monocromático de modo único com um limite baixo de laser de três cores (vermelho, verde e NIR). As descobertas abrirão uma nova rota para explorar o modo único, micro / nanolasers construídos com engenharia MOF para aplicações biofotônicas. O trabalho agora está publicado em Natureza Light:Ciência e Aplicações .

Detecção a laser multicolor de modo único polarizado com estruturas metálicas orgânicas (MOFs)

O sensoriamento laser multicolor polarizado de modo único ou imagem é uma tecnologia de diagnóstico promissora que ainda precisa ser desenvolvida de forma eficaz na prática. Diferentes tecidos biológicos, células ou bioquímicos têm ótica diferente, respostas térmicas e acústicas a diferentes comprimentos de onda de luz. Como resultado, fonte de luz com saída multicolorida de banda larga pode fornecer a base fundamental para detecção ou imagem multimodal ou multidimensional. As propriedades de polarização da luz fornecem uma oportunidade para processar sinais espalhados para informações estruturais ricas em materiais biológicos. Micro / nanolasers de modo único podem atender aos requisitos de aplicações de dispositivos fotônicos miniaturizados; que incluem alta precisão de informações, evitando falsos sinais, e intercalar a interferência de diferentes sinais ópticos para atingir a detecção de alvo ou imagem de diferentes células e moléculas.

Estruturas orgânicas metálicas (MOFs) são um material cristalino periódico montado por íons metálicos e ligantes de ponte orgânicos para fornecer uma plataforma híbrida poderosa para superar os desafios existentes de microlasers multicoloridos. A estrutura cristalina lisa e regular do MOF pode atuar com eficiência como um ressonador óptico para fornecer feedback óptico. Nesse trabalho, He et al. demonstraram a montagem simultânea de diferentes moléculas de corante com base na estrutura do hospedeiro ZJU-68 para obter lasing monocromático de modo único.

O microcristal MOF continha uma variedade de moléculas de corante, os cientistas primeiro usaram uma simulação computacional para revelar o padrão de laser do material para possíveis mecanismos de modo de laser. Os resultados mostraram uma nova rota para materiais de micro-laser multicoloridos de estado sólido para integração fotônica e sensoriamento bioquímico ou imagem. A equipe controlou o crescimento unidirecional de cristais MOF para montar diferentes materiais convidados / moléculas de corante na estrutura e sintetizou uma estrutura híbrida metal-orgânica hierárquica montada com corante. Durante a síntese, primeiro, eles se auto-montaram íons de zinco (Zn ²⁺ ), um linker orgânico, e uma molécula de corante para formar o corante 1. Em seguida, eles imergiram os microcristais resultantes em uma nova solução de reação de Zn ²⁺ e um ligante orgânico com uma molécula de corante diferente para formar o corante 2. Para a etapa três, eles repetiram a segunda etapa para obter um corante microcristal híbrido hierárquico de três cores. A equipe combinou as três moléculas de corante diferentes abreviadas como DPBDM, DMASM e MMPVP para alcançar diferentes tipos de monocristais híbridos MOF. Todos os monocristais híbridos mantiveram a mesma estrutura de prisma hexagonal daquela da forma pura da estrutura do hospedeiro ZJU-68, exceto pelas mudanças de cor que resultaram da montagem da molécula do corante. Os corantes montados corresponderam ao amarelo claro, cores magenta e roxa, respectivamente. A equipe conduziu padrões de difração de raios-X de pó do corante montado nos microcristais hierárquicos ZJU-68, que estavam de acordo com as simulações.

Fluorescência multicolor e desempenho de laser Multicolor

A equipe então comparou o espectro de fotoluminescência de cristais híbridos ZJU-68 montados com corante. Para alcançar isto, eles usaram uma lâmpada de mercúrio com um conjunto de filtros de excitação de 480 nm e determinaram o verde, picos de emissão de vermelho e infravermelho próximo. Usando microscopia a laser confocal multicanal, He et al. mostrou como o único cristal híbrido com três corantes pode ser combinado com a luz incidente e módulos de filtro para excitação segmentada, e saída de sinal de fluorescência de cor diferente. O processo evitou os efeitos de extinção causados ​​pela agregação durante a montagem do corante e ajudou a transferência de energia de moléculas de corante de comprimento de onda curto para moléculas de corante de comprimento de onda longo para uma saída de emissão eficiente de vários comprimentos de onda.

Os cientistas estudaram ainda a propriedade de laser de um pequeno cristal híbrido individual contendo as três moléculas de corante sob um microscópio. Eles usaram um feixe de laser de 480 nm acoplado ao microscópio para coletar um sinal de fotoluminescência usando um espectrômetro de fibra óptica. Com base nos resultados, He et al. creditaram o processo de laser de três cores ao mecanismo de modo de galeria sussurrante (WGM) do cristal de prisma hexagonal. Para entender melhor os mecanismos do modo de laser na cavidade hexagonal, eles conduziram simulações ópticas usando o software COMSOL Multiphysics. Eles observaram que a reflexão interna das seis facetas do cristal é característica do mecanismo WGM de diagramas simulados.

Escaneando o desempenho do laser em um microcristal híbrido

A equipe pode excitar simultaneamente o material na junção de dois segmentos de cristal para obter experimentalmente lasing verde / vermelho ou vermelho / NIR. A configuração única permitiu que um laser de uma cor específica ou uma combinação de cores fosse controlada em um micro-nanoespaço para diversas aplicações biofotônicas. Até agora, os cientistas alcançaram três comprimentos de onda, lasing monomodo no cristal híbrido de três cores com polarização de luz lasing significativa. Ao alinhar as transições de emissão dessas moléculas de corante, He et al. obteve anisotropia de emissão significativa (isto é, a luz emitida pelos fluoróforos tinha intensidades iguais). Esses resultados de lasing multicolor anisotrópico têm grande potencial para aplicações de detecção bioquímica ou imagem e processamento de sinal óptico.

Desta maneira, Huajun He e seus colegas desenvolveram uma montagem hierárquica de diferentes moléculas de corante em um processo híbrido hospedeiro-convidado em um micro-ressonador de estrutura orgânica de metal (MOF). Usando a plataforma, eles alcançaram lasing de modo único de até três comprimentos de onda. O conjunto segmentado controlou a saída de cor do micro-laser e resolveu os efeitos adversos da transferência de energia entre as diferentes moléculas de corante. O processo de laser monomodo de três cores ofereceu uma faixa de comprimento de onda do visível ao NIR em uma estrutura monolítica. O trabalho simplifica o processo de desenvolvimento de uma estrutura de laser monomodo para aplicações biofotônicas multimodais.

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