Een nieuwe mechanisch "rekbare" nanolaser op basis van gouden nanodeeltjes met een patroon op een elastomere plaat omgeven door een vloeistofversterking kan laseren bij verschillende lichtgolflengten. Het nieuwe apparaat, dat is geïnspireerd op panterkameleons, kan worden gebruikt om flexibele, full-colour optische displays en meerkanaals optische communicatie te maken.

Onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat bepaalde soorten kameleons de kleur van hun huid veranderen (van groen naar geel, bijvoorbeeld) door actief een rooster van guanine-nanokristallen in iridofoorcellen af ​​te stemmen. Deze cellen zijn niets anders dan afstembare fotonische kristallen - nanogestructureerde materialen waarin de periodieke variatie van de brekingsindex op de lengteschaal van zichtbaar licht een fotonische bandgap veroorzaakt. Deze band gap beïnvloedt hoe fotonen zich door het materiaal voortplanten - net zoals een periodieke potentiaal in halfgeleiders de stroom van elektronen beïnvloedt die toegestane en verboden energiebandhiaten definiëren.

In fotonische kristallen kan licht van bepaalde golflengtebereiken door de materialen gaan, terwijl licht in andere bereiken wordt gereflecteerd. Hierdoor kan de kleur die door de kristallen wordt gereflecteerd, worden afgestemd door de bandafstand te veranderen.

Terug naar kameleons: bij deze dieren wordt deze kloof bepaald door de afstand tussen de niet-dicht opeengepakte guanine-nanokristallen, die kan worden aangepast door de omringende (elastische) huid te vervormen. Dit zorgt voor kleurveranderingen over het gehele zichtbare bereik van het elektromagnetische spectrum.

Mechanisch regelen van laserkleur

"Geïnspireerd door de natuur, wilden we een mechanochrome laserbron maken die ook van kleur zou kunnen veranderen via een soortgelijk mechanisme", legt uit Teri Odom van de Northwestern University, die deze onderzoeksinspanning leidde. "Om zo'n apparaat te maken, waarin we de laserkleur mechanisch konden regelen, maakten we gebruik van een laserholte op basis van een periodieke reeks nanodeeltjes in een rekbare, polymeer (PDMS) matrix en vloeibare kleurstofmoleculen die de nanodeeltjes omringen."

Het oppervlak van de nanodeeltjes ondersteunt geleidingselektronen die collectief oscilleren. Deze oscillaties staan ​​bekend als oppervlakteplasmonen en in het geval van metalen nanodeeltjes-arrays worden ze "roosterplasmonen" genoemd. Het is te danken aan deze plasmonen, die in combinatie met licht ervoor zorgen dat licht tot op nanoschaal wordt gecomprimeerd en gefocust op plekken die kleiner zijn dan de helft van de golflengte (de zogenaamde diffractielimiet).

De meeste op plasmon gebaseerde lasers die tot nu toe zijn gemaakt, waren moeilijk gemakkelijk af te stemmen omdat de optische versterking werd gemaakt van vaste materialen, zoals anorganische halfgeleiders of organische kleurstoffen in een vaste matrix. De noordwestelijke onderzoekers heeft onlangs een manier bedacht om dit probleem op te lossen door een vloeibaar versterkingsmateriaal (gemaakt van vloeibare kleurstofmoleculen) te gebruiken met de plasmonische nanocavity-arrays.

Het gebruik van vloeibare kleurstofmoleculen heeft veel voordelen”, legt Odom uit. “Ten eerste kunnen we ze oplossen in verschillende oplosmiddelen met verschillende brekingsindices. Dit stelt ons in staat om de diëlektrische omgeving rond de nanodeeltjes af te stemmen, wat ons ook in staat stelt om de lasergolflengte in realtime af te stemmen. Vloeibare versterkingsmaterialen kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd (bijvoorbeeld in een microfluïdisch kanaal), iets dat ons ook in staat stelt de laseremissie af te stemmen door simpelweg vloeistoffen met verschillende brekingsindices te gebruiken.

Hoogwaardige holtemodi

"In dit nieuwe werk produceren de grote (ongeveer 260 nm diameter) nanodeeltjes die we in ons rooster hebben gebruikt (met een afstand van 600 nm) hoogwaardige holtemodi die ongelijke monsteroppervlakken en defecten tolereren, voegt ze eraan toe. “Het beperkte elektromagnetische veld in deze holtemodi resulteert in laserwerking van gebieden dicht bij de nanodeeltjes die 'hybride quadrupoolroosterplasmonen' ondersteunen en kleine veranderingen in de afstand tussen deeltjes veroorzaken een verandering in de lasergolflengte. Door het elastomere substraat zo uit te rekken en los te laten, kunnen we naar believen de laseremissiekleur selecteren.”

Dit is precies het principe dat onze vrienden, de kameleons, gebruiken om hun huidskleur af te stemmen, behalve dat ze osmotische druk gebruiken om het fotonische kristalrooster in hun huid samen te drukken in plaats van uit te rekken.

"De technologie zou kunnen worden gebruikt in toekomstige flexibele optische displays zoals televisie- en mobiele telefoonschermen die coherente lichtbronnen nodig hebben", vertelt Odom. Natuurkunde wereld. "Ons systeem kan worden afgestemd van ultraviolet tot bijna-infrarood door simpelweg verschillende versterkingsmaterialen te gebruiken, wat veelbelovend is voor full-colour fotonische displays en meerkanaals optische communicatie."

Renmin Ma aan de School of Physics van de Universiteit van Peking, die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat de studie "een belangrijke stap" is in de richting van het maken van functionele nanolasers. "De combinatie van dynamisch veranderlijk versterkingsmateriaal en mechanisch rekbaar kristalrooster overwint een belangrijke barrière voor het realiseren van hoogwaardige lasers met een breed afstembereik."

Törmä Päivi van de Aalto University in Finland is het daarmee eens: "De combinatie van rekbaar substraat en multipolaire nanodeeltjesresonanties maakt een eenvoudige en robuuste mechanische controle van de laserlichtkleur mogelijk", zegt ze. "Dit werk zal ons inspireren om anders te denken over toepassingen van plasmonische nanodeeltjes-arrays."

De nieuwe rekbare nanolaser is gedetailleerd in: Nano Letters 10.1021/acs.nanolet.8b01774.