Чтобы понять концепцию, представьте себе лазерную указку, цвет которой можно изменить, просто заменив жидкость внутри нее, вместо того, чтобы нуждаться в другой лазерной указке для каждого желаемого цвета.Помимо изменения цвета в реальном времени, жидкий нанолазер имеет дополнительные преимущества перед другими нанолазерами: он прост в изготовлении, дешев в производстве и работает при комнатной температуре.Наноскопические лазеры, впервые продемонстрированные в 2009 году, сегодня можно найти только в исследовательских лабораториях.
Однако они представляют большой интерес для достижений в области технологий и для военного применения.«Наше исследование позволяет нам задуматься о новых конструкциях лазеров и о том, что могло бы быть возможным, если бы они действительно были созданы», — сказала Тери В. Одом, руководившая исследованием. «Моя лаборатория любит изучать новые материалы, новые структуры и новые способы их соединения для достижения того, чего еще нельзя было себе представить. Мы считаем, что эта работа представляет собой концептуальный и практический инженерный прорыв в области обратимого управления светом от наноскопических источников по требованию. "Одом — член Совета леди-менеджеров Колумбийской выставки, профессор химии в колледже искусств и наук Вайнберга.
Результаты были опубликованы на этой неделе журналом Nature Communications.«Жидкий нанолазер в этом исследовании — это не лазерная указка, а лазерное устройство на чипе», — пояснил Одом. Цвет лазера может быть изменен в реальном времени при изменении жидкого красителя в микрофлюидном канале над резонатором лазера.Резонатор лазера состоит из массива отражающих наночастиц золота, где свет концентрируется вокруг каждой наночастицы, а затем усиливается. (В отличие от обычных лазерных резонаторов, для отражения света вперед и назад не требуются зеркала.) Примечательно, что при настройке цвета лазера полость для наночастиц остается фиксированной и не изменяется; изменяется только усиление жидкости вокруг наночастиц.
Основные преимущества очень маленьких лазеров:Их можно использовать в качестве источников света на кристалле для оптоэлектронных интегральных схем;
Их можно использовать в оптическом хранении данных и литографии;Они могут надежно работать на одной длине волны; а такжеОни должны работать намного быстрее, чем обычные лазеры, потому что сделаны из металлов.Некоторая техническая подготовка
Плазмонные лазеры являются многообещающими наноразмерными когерентными источниками оптических полей, поскольку они поддерживают сверхмалые размеры и демонстрируют сверхбыструю динамику. Хотя плазмонные лазеры были продемонстрированы в различных спектральных диапазонах, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, систематический подход к управлению длиной волны лазерного излучения в реальном времени оказался невозможным.Основное ограничение заключается в том, что в предыдущих работах по плазмонным нанолазерам использовались только материалы с твердым усилением; следовательно, были показаны фиксированные длины волн, поскольку твердые материалы не могут быть легко изменены. Исследовательская группа Одома нашла способ интегрировать материалы с жидкостным усилением с массивами наночастиц золота для достижения наноразмерной плазмонной генерации, которую можно настраивать динамически, обратимо и в реальном времени.
Использование материалов с жидким усилением имеет два существенных преимущества:Молекулы органических красителей легко растворяются в растворителях с разными показателями преломления.
Таким образом, можно настраивать диэлектрическую среду вокруг массивов наночастиц, что также регулирует длину волны генерации.Жидкая форма материалов для усиления позволяет управлять флюидом внутри микрожидкостного канала. Таким образом, динамическая настройка генерации возможна просто за счет протекания жидкости с разными показателями преломления.
Более того, в качестве дополнительного преимущества жидкой среды устройства с лазерной генерацией на кристалле могут демонстрировать долгосрочную стабильность, поскольку молекулы усиления могут постоянно обновляться.Эти наноразмерные лазеры могут производиться серийно с длинами волн излучения по всей ширине полосы усиления красителя.
Таким образом, одна и та же фиксированная структура нанополости (тот же массив наночастиц золота) может демонстрировать длины волн генерации, которые можно настраивать более 50 нанометров, от 860 до 910 нанометров, просто путем замены растворителя, в котором растворяется краситель.