Ионы тулия превратили полистирольный шарик в медицинский микролазер

Ученые создали микролазер, состоящий из полистирольной микросферы, покрытой слоем наночастиц смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Такой микролазер может поглощать непрерывное инфракрасное излучение, преобразуя его в периодические импульсы с большей энергией. Спектральные характеристики, мощности возбуждающего излучения и возможность долгой непрерывной работы делают такие частицы перспективным микроустройством для биологического и медицинского анализа, пишут ученые в Nature Nanotechnology.

Размер лазеров — источников монохроматического электромагнитного излучения — может варьироваться от микрометров до нескольких десятков метров в зависимости от используемого материала, мощности получаемого светового пучка и конфигурации устройства. Самые маленькие лазеры обычно представляют собой небольшие частицы, состоящие из полупроводниковых материалов, которые образуют микродиод или оптический микрорезонатор, способный поглощать свет одной частоты и переизлучать его в виде более мощных импульсов другой частоты. Использоваться такие частицы могут при создании микропроцессоров или для химического анализа в микросистемах — как естественного, так и искусственного происхождения. Однако из-за очень небольшого размера оптических микрорезонаторов могут заметно увеличиваться энергетические потери — это сильно снижает эффективность таких микроустройств и требует довольно мощных источников возбуждающего излучения, что делает многие из таких лазеров неприменимыми, например, для медицинского или биологического анализа.

Группа исследователей из США, Италии и Казахстана под руководством Джеймса Щука (P. James Schuck) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли предложила новый тип эффективных микролазеров, состоящих из полистирольной сферы размером пять микрометров, покрытой наночастицами смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Известно, что полистирольная микросфера может использоваться в качестве оптического микрорезонатора с эффектом шепчущей галереи для излучения в инфракрасном и видимом диапазонах спектра. А наночастицы с ионами некоторых металлов-лантанидов (в частности, с ионами тулия Tm³⁺) за счет своей энергетической структуры могут поглощать свет с одной частотой, испуская после этого фотоны с большей частотой, то есть повышая их энергию. Так, в случае ионов тулия происходит поглощение нескольких фотонов с длиной волны 1064 нанометра и испускание фотонов с длинами волн 800 и 470 нанометров (причем первых — больше, чем вторых).

Таким образом, вся эта система, состоящая из микросферы, покрытой наночастицами, может поглощать непрерывное излучение в инфракрасной области, после чего на наночастицах происходит переиспускание фотонов с одной из двух длин волн меньше изначальной. Затем эти фотоны попадают в полистирольный микрорезонатор, а оттуда после многократных переотражений от внутренних стенок и интерференции между собой свет излучается в виде отдельных монохроматических импульсов повышенной интенсивности. По словам ученых, основное достоинство такого лазера — возможность непрерывно излучать свет в ближней инфракрасной (800 нанометров) и видимой (470 нанометров) частях спектра в течение нескольких (до пяти) часов.

Мощность излучения, необходимого для возбуждения такого лазера, составляет всего 14 киловатт на квадратный сантиметр. При этом длина волны возбуждающего излучения позволяет ему свободно проходить сквозь биологические среды, а размер микросферы дает возможность вводить микролазер в ткани или внутрь живого организма, поэтому такое устройство можно использовать для анализа биологических молекул, в частности в медицинских целях. В качестве примера ученые показали, как в сыворотке крови такой лазер помогает детектировать, связывать и анализировать движение молекул некоторых белков или ДНК.

Ученые утверждают, что предложенный ими микролазер, способный повышать частоту излучения, способен к значительно более долгой устойчивой работе по сравнению с другими аналогичными устройствами. По словам авторов, использовать такой микролазер можно как внутри живых организмов для медицинского анализа, так и, например, для создания фотонных компьютеров. 

Если в подобных микролазерах использовать сферы, состоящие не из полистирола, а из монокристаллических материалов, то можно значительно увеличить время жизни одного фотона внутри таких частиц. Например, недавно французские физики предложили использовать для этого фторидные стекла, допированные эрбием. Из-за эффекта осцилляций когерентных популяций время жизни фотона в таком микрорезонаторе может достигать около 2,5 миллисекунды.

Александр Дубов