Metal Organic Framework (MOF) mikrokrystaller til flerfarvet bredbåndslasing

Multicolor single-mode polariserede mikrolasere, der indeholder et outputområde fra synligt lys til det nær-infrarøde, har betydelige anvendelser i fotonisk integration og multimodal kemisk sensing eller billeddannelse. Imidlertid, sådanne enheder er meget vanskelige at realisere i praksis. I en ny rapport, Huajun He og et forskerhold i fysik, materialevidenskab og kemi i Singapore, Kina og USA, udviklet en enkelt krystal med flere segmenter til at generere kontrollerede, enkelt-tilstand, nær-infrarød (NIR) lasering. Flere segmenter af enkeltkrystallen var baseret på en metalorganisk ramme (MOF) hybridiseret med farvestofmolekyler egnet til grøn, rød og nær-infrarød lasering som simuleret beregningsmæssigt. Den segmenterede samling af forskellige farvestofmolekyler i mikrokrystallen fik den til at fungere som en forkortet resonator for at opnå dynamisk, flerfarvet enkelt-mode lasering med en lav tre-farve laser tærskel (rød, grøn og NIR). Resultaterne vil åbne en ny rute til at udforske single-mode, mikro/nanolasere konstrueret med MOF-teknik til biofotoniske applikationer. Værket er nu udgivet på Natur Lys:Videnskab og applikationer .

Flerfarvet single-mode polariseret lasersensor med organiske metalstrukturer (MOF'er)

Multicolor single-mode polariseret laser sensing eller billeddannelse er en lovende diagnostisk teknologi, der mangler at blive udviklet effektivt i praksis. Forskellige biologiske væv, celler eller biokemikalier har forskellige optiske, termiske og akustiske reaktioner på forskellige bølgelængder af lys. Som resultat, lyskilde med bredbånds flerfarvet output kan udgøre det grundlæggende grundlag for multimodal eller multidimensionel sansning eller billeddannelse. Lysets polarisationsegenskaber giver mulighed for at behandle spredte signaler til strukturel information rig på biologiske materialer. Single-mode mikro/nanolasere kan opfylde de nødvendige anvendelser af miniaturiserede fotonikenheder; som omfatter høj informationsnøjagtighed, undgå falske signaler, og interkalering af interferensen af ​​forskellige optiske signaler for at opnå målsansning eller billeddannelse af forskellige celler og molekyler.

Metalorganic frameworks (MOF'er) er et periodisk krystallinsk materiale samlet af metalioner og organiske broligander for at give en kraftfuld hybrid platform til at overvinde eksisterende udfordringer ved flerfarvede mikrolasere. Den glatte og regelmæssige krystalstruktur af MOF kan effektivt fungere som en optisk resonator for at give optisk feedback. I dette arbejde, Han et al. demonstrerede den samtidige samling af forskellige farvestofmolekyler baseret på værtsrammen ZJU-68 for at opnå flerfarvet single-mode lasering.

MOF-mikrokrystallen indeholdt en række farvestofmolekyler, forskerne brugte først en beregningssimulering til at afsløre materialets lasermønster for mulige lasermodusmekanismer. Resultaterne viste en ny rute for flerfarvede solid-state mikro-lasermaterialer til fotonisk integration og biokemisk sansning eller billeddannelse. Holdet kontrollerede den ensrettede vækst af MOF-krystaller for at samle forskellige gæstematerialer/farvestofmolekyler på strukturen og syntetiserede en farvestofsamlet hierarkisk hybrid metal-organisk ramme. Under syntese, først, de selvsamlede zinkioner (Zn ²⁺ ), en organisk linker, og et farvestofmolekyle for at danne farvestof 1. Derefter nedsænkede de de resulterende mikrokrystaller i en ny reaktionsopløsning af Zn ²⁺ og en organisk linker med et andet farvestofmolekyle for at danne farvestof 2. For trin tre, de gentog det andet trin for at opnå et trefarvet hierarkisk hybrid mikrokrystalfarvestof. Holdet kombinerede de tre forskellige farvestofmolekyler forkortet som DPBDM, DMASM og MMPVP for at opnå forskellige typer hybride MOF-enkeltkrystaller. Alle hybride enkeltkrystaller bibeholdt den samme hexagonale prismestruktur som den for den rene form af værts-ZJU-68-rammestruktur bortset fra de farveændringer, der var resultatet af farvestofmolekylesamling. De samlede farvestoffer svarede til lysegul, magenta og lilla farver, henholdsvis. Holdet udførte pulverrøntgendiffraktionsmønstre af farvestoffet samlet på ZJU-68 hierarkiske mikrokrystaller, som stemte godt overens med simuleringer.

Flerfarvet fluorescens og flerfarvet laserydeevne

Holdet sammenlignede derefter fotoluminescensspektret af farvestofsamlede ZJU-68 hybridkrystaller. For at opnå dette, de brugte en kviksølvlampe med et 480 nm excitationsfiltersæt og bestemte den grønne, røde og nær-infrarøde emissionstoppe. Ved hjælp af multikanal konfokal lasermikroskopi, Han et al. viste, hvordan den hybride enkeltkrystal med tre farvestoffer kunne kombineres med indfaldende lys og filtermoduler til segmenteret excitation, og forskellig farve fluorescens signal output. Processen forhindrede aggregerings-forårsagede quenching-effekter under farvestofsamling og assisterede energioverførsel fra kortbølgelængde farvestofmolekyler til langbølgelængdefarvestofmolekyler til effektiv multi-bølgelængde-emissionsoutput.

Forskerne studerede yderligere laseregenskaben af ​​en individuel lille hybrid krystal indeholdende de tre farvestofmolekyler under et mikroskop. De brugte en 480 nm laserstråle koblet ind i mikroskopet til at indsamle et fotoluminescenssignal ved hjælp af et fiberoptisk spektrometer. Baseret på resultaterne, Han et al. krediteret tre-farve lasering processen til whispering gallery mode (WGM) mekanisme af den sekskantede prisme krystal. For yderligere at forstå lasertilstandsmekanismer i det sekskantede hulrum, de udførte optiske simuleringer ved hjælp af COMSOL Multiphysics-software. De bemærkede, at den interne refleksion af de seks krystalfacetter er karakteristisk for WGM-mekanismen for simulerede diagrammer.

Scanning af laserydelse i en hybrid mikrokrystal

Holdet kunne samtidigt excitere materialet ved krydset mellem to krystalsegmenter for eksperimentelt at opnå lysegrøn/rød eller rød/NIR-lasing. Den unikke opsætning tillod en laser af en bestemt farve eller en kombination af farver at blive kontrolleret i et mikro-nano-rum til forskellige biofotoniske applikationer. Indtil videre har forskerne opnået tre bølgelængder, single-mode lasering i tre-farve hybrid krystal med betydelig laser lys polarisering. Ved at justere emissionsovergangene af disse farvestofmolekyler, Han et al. opnåede signifikant emissionsanisotropi (dvs. lys udsendt af fluoroforerne havde samme intensitet). Sådanne anisotrope flerfarvede laserresultater har et stort potentiale for biokemisk sensing eller billeddannelse og optiske signalbehandlingsapplikationer.

På denne måde, Huajun He og kolleger udviklede en hierarkisk samling af forskellige farvestofmolekyler i en vært-gæst-hybridproces på en MOF-mikro-resonator. Brug af platformen, de opnåede op til tre-bølgelængde single-mode lasering. Den segmenterede samling styrede farveoutputtet af mikrolaseren og løste negative virkninger af energioverførsel mellem forskellige farvestofmolekyler. Den tre-farvede single-mode laserproces tilbød et bølgelængdeområde fra synlig til NIR i en monolitisk struktur. Arbejdet forenkler processen med at udvikle en single-mode laserstruktur til multimodale biofotoniske applikationer.

© 2020 Science X Network