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 據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的研究人員展示了一種在聚合物微球形狀上有趣的回音壁模式激光結(jié)構(gòu)（whispering－mode lasing structure），微球的直徑約為5μm，上面覆蓋著摻銩氟化釔鈉（thulium－doped sodium yttrium fluoride）納米微粒。

這項(xiàng)研究源于伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子實(shí)驗(yàn)室（Molecular Foundry）最初的理論發(fā)現(xiàn)，該研究利用計(jì)算模型預(yù)測(cè)暴露于特定頻率紅外激光的摻銩納米微粒（thulium－doped nanoparticles），將發(fā)出更高頻率的光，事實(shí)上，這就是一種光的“上轉(zhuǎn)換（upconversion）”現(xiàn)象。

目前，研究者已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這種上轉(zhuǎn)換，并在名為“Continuous－wave upconverting nanoparticle microlasers”的論文中完整地記錄為“回音壁模式激光（whispering mode laser）”的一種形式，該論文發(fā)表于《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志。

圖左：由激光照射的微球（在圖像頂部顯示的黃色斑點(diǎn)）產(chǎn)生循環(huán)于微球內(nèi)部（粉紅色的環(huán)）的光模態(tài)；圖右：模擬了5μm微球內(nèi)部光場(chǎng)的分布情況（圖片來(lái)源：Angel Fernandez－Bravo ／勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

當(dāng)紅外激光激發(fā)了微球外表面的摻銩納米微粒時(shí)，納米微粒發(fā)出的光就可在微球內(nèi)表面反彈，如同圓形墻壁上反射的聲波（回音壁）一樣。由于光在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)圍繞微球進(jìn)行了數(shù)千次圓周運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致某些頻率的光自身產(chǎn)生干涉，可在相長(zhǎng)干涉時(shí)產(chǎn)生明亮的光，在相消干涉時(shí)產(chǎn)生暗點(diǎn)。一旦達(dá)到一定閾值，光就可以在級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)中激發(fā)更多的光發(fā)射。

研究人員通過(guò)利用在摻銩上轉(zhuǎn)換納米微粒和合適微球尺寸中發(fā)現(xiàn)的能量循環(huán)激發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了極低激發(fā)水平的連續(xù)波上轉(zhuǎn)換激光。

該論文還指出，使用紅外線照射特殊涂層微粒，使其在藍(lán)色和近紅外波長(zhǎng)下產(chǎn)生穩(wěn)定的激光，可持續(xù)超過(guò)5小時(shí)。這與其他報(bào)告中的只能間歇運(yùn)行的上轉(zhuǎn)換納米級(jí)激光形成了鮮明的對(duì)比。

該論文的作者之一Jim Schuck解釋說(shuō)：“大多數(shù)基于納米粒子的激光器升溫會(huì)很快，并會(huì)在幾分鐘內(nèi)熄滅。我們的激光則會(huì)一直存在，該性能讓我們可針對(duì)不同應(yīng)用調(diào)整其信號(hào)。”

目前，研究人員正在探索：通過(guò)改變微球的大小和組成，來(lái)調(diào)整這種連續(xù)發(fā)射微激光器的輸出光。他們正利用分子實(shí)驗(yàn)室名為“WANDA（自動(dòng)納米材料發(fā)現(xiàn)和分析工作站）”的機(jī)器人系統(tǒng)，來(lái)將不同摻雜元素結(jié)合起來(lái)，并調(diào)整納米微粒的性能。

研究者們認(rèn)為這些微尺寸激光器可在復(fù)雜的生物環(huán)境中找到傳感和照明的相關(guān)應(yīng)用。