Les microlasers polarisés monomodes multicolores contenant une plage de sortie allant de la lumière visible au proche infrarouge ont des applications importantes dans les applications d'intégration photonique et de détection ou d'imagerie chimique multimodale. Cependant, de tels dispositifs sont très difficiles à réaliser en pratique. Dans un nouveau rapport, Huajun He et une équipe de recherche en physique, science des matériaux et chimie à Singapour, la Chine et les États-Unis, développé un cristal unique avec plusieurs segments pour générer contrôlé, monomode, laser proche infrarouge (NIR). De multiples segments du monocristal étaient basés sur une structure organométallique (MOF) hybridée avec des molécules de colorant adaptées au vert, laser rouge et proche infrarouge tel que simulé informatiquement. L'assemblage segmenté de différentes molécules de colorant dans le microcristal l'a amené à agir comme un résonateur raccourci pour obtenir une dynamique, laser monomode multicolore avec un faible seuil laser tricolore (rouge, vert et NIR). Les résultats ouvriront une nouvelle voie pour explorer le mode unique, micro/nanolasers construits avec l'ingénierie MOF pour les applications biophotoniques. L'ouvrage est désormais publié sur La nature Lumière :science et applications .

Détection laser polarisée monomode multicolore avec cadres organométalliques (MOF)

La détection ou l'imagerie laser polarisée monomode multicolore est une technologie de diagnostic prometteuse qui reste à développer efficacement dans la pratique. Différents tissus biologiques, les cellules ou les produits biochimiques ont des optiques différentes, réponses thermiques et acoustiques à différentes longueurs d'onde de la lumière. Par conséquent, une source lumineuse avec une sortie multicolore à large bande peut fournir la base fondamentale pour la détection ou l'imagerie multimodale ou multidimensionnelle. Les propriétés de polarisation de la lumière offrent la possibilité de traiter les signaux diffusés pour obtenir des informations structurelles riches en matériaux biologiques. Les micro/nanolasers monomodes peuvent répondre aux applications requises des dispositifs photoniques miniaturisés; qui incluent une grande précision des informations, éviter les faux signaux, et intercaler l'interférence de différents signaux optiques pour réaliser une détection ou une imagerie cible de différentes cellules et molécules.

Les structures organométalliques (MOF) sont un matériau cristallin périodique assemblé par des ions métalliques et des ligands de pontage organiques pour fournir une plate-forme hybride puissante pour surmonter les défis existants des microlasers multicolores. La structure cristalline lisse et régulière du MOF peut efficacement agir comme un résonateur optique pour fournir une rétroaction optique. Dans ce travail, Il et al. a démontré l'assemblage simultané de différentes molécules de colorant basées sur le cadre hôte ZJU-68 pour obtenir un laser monomode multicolore.

Le microcristal MOF contenait une variété de molécules de colorant, les scientifiques ont d'abord utilisé une simulation informatique pour révéler le motif laser du matériau pour d'éventuels mécanismes de mode laser. Les résultats ont montré une nouvelle voie pour les matériaux microlasers à semi-conducteurs multicolores pour l'intégration photonique et la détection ou l'imagerie biochimique. L'équipe a contrôlé la croissance unidirectionnelle de cristaux MOF pour assembler différents matériaux/molécules de colorant invités sur la structure et a synthétisé un cadre hybride métal-organique hiérarchique assemblé par colorant. Lors de la synthèse, premier, ils auto-assemblaient des ions zinc (Zn ²⁺ ), un lieur organique, et une molécule de colorant pour former le colorant 1. Ensuite, ils ont immergé les microcristaux résultants dans une nouvelle solution réactionnelle de Zn ²⁺ et un lieur organique avec une molécule de colorant différente pour former le colorant 2. Pour l'étape trois, ils ont répété la deuxième étape pour obtenir un colorant microcristallin hybride hiérarchique à trois couleurs. L'équipe a combiné les trois molécules de colorant différentes abrégées en DPBDM, DMASM et MMPVP pour obtenir différents types de monocristaux hybrides MOF. Tous les monocristaux hybrides ont conservé la même structure de prisme hexagonal que celle de la forme pure de la structure hôte ZJU-68, à l'exception des changements de couleur résultant de l'assemblage des molécules de colorant. Les colorants assemblés correspondaient au jaune clair, couleurs magenta et violet, respectivement. L'équipe a réalisé des diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre du colorant assemblés sur les microcristaux hiérarchiques ZJU-68, qui étaient en bon accord avec les simulations.

Fluorescence multicolore et performances laser multicolores

L'équipe a ensuite comparé le spectre de photoluminescence de cristaux hybrides ZJU-68 assemblés par colorant. Pour y parvenir, ils ont utilisé une lampe au mercure avec un ensemble de filtres d'excitation de 480 nm et déterminé le vert, pics d'émission dans le rouge et le proche infrarouge. En utilisant la microscopie laser confocale multicanal, Il et al. a montré comment le monocristal hybride à trois colorants pouvait être combiné avec des modules de lumière incidente et de filtre pour une excitation segmentée, et une sortie de signal de fluorescence de couleur différente. Le processus a empêché les effets d'extinction provoqués par l'agrégation pendant l'assemblage du colorant et a assisté le transfert d'énergie des molécules de colorant à courte longueur d'onde aux molécules de colorant à longue longueur d'onde pour une sortie d'émission multi-longueur d'onde efficace.

Les scientifiques ont ensuite étudié la propriété laser d'un petit cristal hybride individuel contenant les trois molécules de colorant au microscope. Ils ont utilisé un faisceau laser de 480 nm couplé au microscope pour collecter un signal de photoluminescence à l'aide d'un spectromètre à fibre optique. Sur la base des résultats, Il et al. a attribué le processus de laser à trois couleurs au mécanisme de mode de galerie de chuchotement (WGM) du cristal de prisme hexagonal. Pour mieux comprendre les mécanismes des modes laser dans la cavité hexagonale, ils ont réalisé des simulations optiques à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Ils ont noté que la réflexion interne des six facettes cristallines était caractéristique du mécanisme WGM des diagrammes simulés.

Performances du laser à balayage dans un microcristal hybride

L'équipe a pu exciter simultanément le matériau à la jonction de deux segments cristallins pour obtenir expérimentalement un laser vert/rouge vif ou rouge/NIR. La configuration unique a permis de contrôler un laser d'une couleur spécifique ou d'une combinaison de couleurs dans un micro-nano-espace pour diverses applications biophotoniques. Jusqu'à présent, les scientifiques ont atteint trois longueurs d'onde, laser monomode dans le cristal hybride tricolore avec une polarisation importante de la lumière laser. En alignant les transitions d'émission de ces molécules de colorant, Il et al. obtenu une anisotropie d'émission significative (c'est-à-dire que la lumière émise par les fluorophores avait des intensités égales). De tels résultats de lasers multicolores anisotropes ont un grand potentiel pour les applications de détection ou d'imagerie biochimique et de traitement de signaux optiques.

De cette façon, Huajun He et ses collègues ont développé un assemblage hiérarchique de différentes molécules de colorant dans un processus hybride hôte-invité sur un micro-résonateur à structure organique métallique (MOF). En utilisant la plateforme, ils ont réalisé un laser monomode jusqu'à trois longueurs d'onde. L'assemblage segmenté contrôlait la sortie couleur du micro-laser et résolvait les effets néfastes du transfert d'énergie entre les différentes molécules de colorant. Le processus laser monomode à trois couleurs offrait une gamme de longueurs d'onde allant du visible au proche infrarouge dans une structure monolithique. Le travail simplifie le processus de développement d'une structure laser monomode pour des applications biophotoniques multimodales.

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