Les dispositifs d'émission de lumière ultraviolette puissants et cohérents ont un énorme potentiel d'application médicale et industrielle, mais générer une émission de lumière ultraviolette de manière efficace a été difficile. Récemment, une équipe de recherche collaborative co-dirigée par des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) a développé une nouvelle approche pour générer un laser ultraviolet profond grâce à un traitement de «conversion domino» de nanoparticules utilisant la lumière proche infrarouge, qui est couramment utilisée dans appareils de télécommunication. Les résultats fournissent une solution pour la construction de lasers haute énergie miniaturisés pour la bio-détection et les dispositifs photoniques.

Dans le monde des nanomatériaux, la "conversion ascendante des photons" signifie que lorsqu'un nanomatériau est excité par de la lumière ou des photons avec une longue longueur d'onde et une faible énergie, il émet une lumière avec une longueur d'onde plus courte et une énergie plus élevée, comme la lumière ultraviolette.

Défi dans la réalisation de la conversion ascendante des photons

La conversion ascendante de photons caractérisée par une émission de haute énergie lors de l'excitation de photons de plus faible énergie est d'un intérêt exceptionnel parmi les scientifiques. En effet, il offre un potentiel de construction rentable de dispositifs d'émission d'ultraviolets profonds miniaturisés, qui ont un énorme potentiel d'applications médicales et industrielles, telles que la stérilisation microbienne et l'instrumentation biomédicale. Cependant, le processus de conversion ascendante des photons a une flexibilité limitée, car il se produit principalement dans des ions lanthanides spéciaux comprenant des ensembles fixes de niveaux d'énergie.

Une équipe de recherche co-dirigée par le professeur Wang Feng, du Département de science et génie des matériaux, et le professeur Chu Sai-tak, du Département de physique de CityU, avec le Dr Jin Limin de l'Institut de technologie de Harbin (Shenzhen), a surmonté l'obstacle en introduisant une tactique de "domino upconversion".

Conception structurelle spéciale des nanoparticules

La conversion ascendante Domino est comme une réaction en chaîne, dans laquelle l'énergie accumulée dans un cours de conversion ascendante déclenche un autre processus de conversion ascendante successif. En utilisant un microrésonateur en forme de beignet, incorporé avec des "nanoparticules de conversion ascendante" spécialement conçues, l'équipe a réussi à générer une émission de lumière ultraviolette profonde à haute énergie à 290 nm par excitation de photons infrarouges à faible énergie à 1 550 nm.

"Comme la longueur d'onde d'excitation se situait dans la gamme de longueurs d'onde des télécommunications, les nanoparticules peuvent être facilement utilisées et intégrées dans les circuits de communication et photoniques à fibre optique existants sans modification ou adaptation compliquée", a déclaré le professeur Wang. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications , intitulé "Ultralarge anti-Stokes lasing through tandem upconversion."

L'idée de construire une "conversion ascendante en domino" a été inspirée par une précédente étude du transfert d'énergie dans les nanoparticules cœur-coquille par les professeurs Wang et Chu. La conception de la structure cœur-coquille de la nanoparticule permet le processus de luminescence multiphotonique dans l'erbium (Er ³⁺ ) ions. En adaptant un protocole de synthèse similaire, l'équipe a réussi à construire des nanoparticules "coeur-coque-coque" par une méthode de chimie humide pour explorer le mécanisme de transfert d'énergie des ions lanthanides, y compris le thulium (Tm ³⁺ ) ions.

Microrésonateur en forme de beignet

Grâce à la conception minutieuse de la composition de dopage et de la concentration dans différentes couches ou coques des nanoparticules de conversion ascendante, l'équipe a réussi à obtenir une combinaison en tandem d'Er ³⁺ et Tm ³⁺ processus d'upconversion basés sur les ions (domino upconversion). Dans l'expérience, le Er ³⁺ les ions contenus dans la coque externe répondaient à une excitation photonique proche infrarouge à 1550 nm, une longueur d'onde située dans la gamme des télécommunications. En incorporant les nanoparticules dans une cavité de microrésonateur en forme de beignet, l'équipe a en outre généré un microlaser ultraviolet de haute qualité, démontrant une action laser à 289 nm par une excitation de 1 550 nm.

"Les nanoparticules de conversion ascendante agissent comme des" convertisseurs de longueur d'onde "pour multiplier l'énergie des photons infrarouges incidents", a expliqué le professeur Wang. Il s'attend à ce que les résultats ouvrent la voie à la construction de lasers miniaturisés à courte longueur d'onde et affirme qu'ils pourraient inspirer de nouvelles idées pour la conception de circuits photoniques. Il a ajouté que le laser ultraviolet miniaturisé utilisant cette technologie de conversion ascendante en domino peut fournir une plate-forme pour la biodétection sensible, telle que la détection de la sécrétion de cellules cancéreuses, en surveillant l'intensité et le seuil de laser, ce qui offre un grand potentiel d'application biomédicale à l'avenir. + Explorer plus loin

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