Generering af ultraviolette lasere med nær-infrarødt lys gennem domino-opkonvertering af nanopartikler

Stærke og sammenhængende anordninger til emission af ultraviolet lys har et enormt medicinsk og industriel anvendelsespotentiale, men det har været en udfordring at generere ultraviolet lysemission på en effektiv måde. For nylig udviklede et samarbejdende forskerhold ledet af forskere fra City University of Hong Kong (CityU) en ny tilgang til at generere dyb-ultraviolet lasering gennem en "domino-opkonvertering"-behandling af nanopartikler ved hjælp af nær-infrarødt lys, som er almindeligt anvendt i telekommunikationsudstyr. Resultaterne giver en løsning til at konstruere miniaturiserede højenergilasere til biodetektion og fotoniske enheder.

I nanomaterialernes verden betyder "foton-opkonvertering", at når nanomateriale exciteres af lys eller fotoner med en lang bølgelængde og lav energi, udsender det lys med en kortere bølgelængde og højere energi, såsom ultraviolet lys.

Udfordring i at opnå foton opkonvertering

Fotonopkonvertering karakteriseret ved højenergiemission ved excitation af lavenergifotoner er af usædvanlig interesse blandt videnskabsmænd. Dette skyldes, at det rummer potentiale for omkostningseffektiv konstruktion af miniaturiserede dyb-ultraviolette emissionsenheder, som har et enormt medicinsk og industriel anvendelsespotentiale, såsom mikrobiel sterilisering og biomedicinsk instrumentering. Fotonopkonverteringsprocessen har imidlertid begrænset fleksibilitet, da den hovedsageligt forekommer i specielle lanthanidioner, der omfatter faste sæt energiniveauer.

Et forskerhold ledet af professor Wang Feng, fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, og professor Chu Sai-tak, fra Institut for Fysik ved CityU, sammen med Dr. Jin Limin fra Harbin Institute of Technology (Shenzhen), overvandt forhindringen ved at indføre en "domino upconversion" taktik.

Særligt strukturelt design af nanopartikler

Domino opkonvertering er som en kædereaktion, hvor energi opsamlet i ét opkonverteringsforløb udløser en anden efterfølgende opkonverteringsproces. Ved at bruge en doughnut-formet mikroresonator, inkorporeret med specialdesignede "upconversion nanopartikler", genererede teamet med succes højenergi, dyb-ultraviolet lysemission ved 290 nm ved excitation af lavenergi infrarøde fotoner ved 1550nm.

"Da excitationsbølgelængden var i telekommunikationsbølgelængdeområdet, kan nanopartiklerne let bruges og integreres i eksisterende fiberoptiske kommunikations- og fotoniske kredsløb uden kompliceret modifikation eller tilpasning," sagde professor Wang. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications , med titlen "Ultralarge anti-Stokes lasering through tandem upconversion."

Ideen om at konstruere "domino upconversion" var inspireret af en tidligere undersøgelse af energioverførsel i kerne-skal nanopartikler af professorerne Wang og Chu. Nanopartiklernes kerne-skal struktur tillader multifoton luminescensprocessen i erbium (Er ³⁺ ) ioner. Ved at tilpasse en lignende syntetisk protokol konstruerede teamet med succes "kerne-skal-skal"-nanopartikler gennem en vådkemimetode for at udforske energioverførselsmekanismen for lanthanidioner, herunder thulium (Tm ³⁺ ) ioner.

Doughnutformet mikroresonator

Gennem det omhyggelige design af dopingsammensætning og koncentration i forskellige lag eller skaller af opkonverteringsnanopartiklerne opnåede holdet med succes en tandemkombination af Er ³⁺ og Tm ³⁺ ion-baserede opkonverteringsprocesser (domino opkonvertering). I eksperimentet er Er ³⁺ ioner indeholdt i den ydre skal reagerede på 1550 nm nær-infrarød fotonexcitation, en bølgelængde placeret i telekommunikationsområdet. Ved at inkorporere nanopartiklerne i et doughnut-formet mikroresonatorhulrum, genererede holdet yderligere en ultraviolet mikrolaser af høj kvalitet, der demonstrerede laservirkning ved 289 nm ved 1550 nm excitation.

"The upconversion nanoparticles act as 'wavelength converters' to multiply the energy of incident infrared photons," explained Professor Wang. He expects the findings to pave the way for the construction of miniaturized short-wavelength lasers and says they may inspire new ideas for designing photonic circuits. He added that the miniaturized ultraviolet laser using this domino upconversion technology can provide a platform for sensitive bio-detection, such as the detection of cancer cell secretion, by monitoring the lasing intensity and threshold, which offers great biomedical application potential in the future. + Udforsk yderligere

Precise antitumor strategy achieved via photo-switchable lanthanide-doped nanoparticles