研究人员用纳米颗粒涂覆的微珠制作出连续发射的微型激光器
研究人员们已经找到了一种将纳米颗粒涂覆的微型珠子转换成比红血球更小的激光器的方法。 J?V? R
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这些将红外光转换成更高频率光的微型激光器是迄今为止报道的同类型中尺寸最小的连续发射激光器，而且即使浸入生物液体（如血清）中，也可以连续且稳定地一次发光数小时。 {j9{n
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这项由美国能源部劳伦斯伯克利实验室（伯克利实验室）的国际科学家小组发现的创新技术，为利用红外光成像或控制生物活性以及制造光基计算机芯片开辟了可能性。他们的发现在Nature Nanotechnology上发表的一篇论文（“Continuous-wave upconverting nanoparticle microlasers”）中被详细阐述。 L uq#9(P
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在左侧图中，由激光打击的小珠（在图像顶部显示的黄色斑点处）产生围绕珠子内部（粉红色环）循环的光学模式。在右侧图中，模拟了5微米（百万分之五米）大小的微珠内部的光场如何分布 fY{1F
这些横截面直径只有5微米（百万分之一米）的激光器的独特特性是研究人员们在研究聚合物（塑料）珠粒的潜力的过程中偶然发现的，所述聚合物珠粒由在脑部成像过程中使用的被称为胶质的透明物质组成。 S=MEG+Ad
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伯克利实验室分子铸造研究所的博士后研究员Angel Fernandez-Bravo是该研究的主要作者，他将珠粒与“掺杂”或嵌入铥的纳米钇氟化纳米颗粒混合在一起，铥属于被称为镧系元素中的一种金属。Molecular Foundry是一个纳米科学研究中心，向世界各地的研究人员开放。 Y1OCLnK~
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用纳米颗粒涂覆的5微米直径聚苯乙烯珠粒的扫描电子显微照片图像（左图）和显示珠粒横截面的透射电子显微照片图像（右图），其中纳米颗粒沿着其外表面。左侧的比例尺为1微米，右侧的比例尺为20纳米 @P#N2:jwj
Molecular Foundry的科学家Emory Chan在2016年使用了计算模型来预测暴露于特定频率的红外激光的铥掺杂的纳米颗粒可以以比这种红外光更高的频率发射光，这是一种违反常理的“变频”过程。 )F}F_Y
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当时还是实验室夏季本科实验室实习（SULI）项目参与者的Elizabeth Levy注意到，涂有这些“升频纳米颗粒”的微珠以非常特定的波长或颜色发出意料之外的明亮光线。 `tB gH_$M
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“这些尖峰显然是周期性的，并且显然是可重复的，”Emory Chan说到，他与Foundry Staff科学家Jim Schuck（现在在哥伦比亚大学）和Bruce Cohen共同领导这项研究。 $:8x(&+/@
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Chan和Levy观察到的周期性尖峰是一种基于光的类似于所谓的“回音壁”的声学效果，这种声学效果会导致声波沿着圆形房间的墙壁反弹，因此即使是声音很小的耳语也能在房间的对面被听到。例如，在19世纪后期在伦敦圣保罗大教堂的圆顶上观察到这种回音壁效应。 \.0^ n3y
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在最新的研究中，Fernandez-Bravo和Schuck发现，当红外激光器沿着微珠的外表面激发掺杂铥的纳米颗粒时，纳米颗粒发出的光可以在微珠的内表面上不断反射，就像耳语在大教堂的墙壁上来回反射一样。 'H3^e}
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图示为自组装2D阵列中微型激光器发出的光的宽视野图像 {
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光可以在几分之一秒内围绕微球周围进行数千次反射传播，导致一些光线频率与自身相互作用（或“干涉”）以产生更亮的光线，而其他频率会自行消除。这个过程解释了Chan和Levy观察到的异常峰值。 o
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当在这些微珠内部传播的光线强度达到一定的阈值时，光线可以刺激更多的光以完全相同的颜色发射，并且这些刺激产生的光反过来可以激发更多的光。光的放大是所有激光器的基础，光放大在微珠内以非常窄的波长范围产生强光。 lNy.g{2f<m
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Schuck认为镧系元素掺杂的纳米粒子可能成为微型激光器的潜在候选者，当Chan与他分享周期性的回音壁数据时，他相信了这一点。 wrc,b{{[iM
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Fernandez-Bravo发现，当他将微珠暴露在具有足够功率的红外激光器中时，珠子变成升频激光器，其频率高于原始激光器。微珠可以产生激光，他还发现微珠所耗功率比以往记录基于纳米颗粒的升频激光器更低。 |N4.u
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Fernandez-Bravo说：“低阈值允许这些激光器以比以往激光器低得多的功率连续工作数小时。 n4s+>|\M
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其他升频纳米颗粒激光器仅间歇地工作；他们只暴露在短而强大的光线下，因为长时间曝光会损伤它们。 9%k2'iV7
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“大多数基于纳米粒子的激光器加热非常快，在几分钟内当机，”Schuck说。“我们的激光器始终处于开启状态，这使我们能够针对不同的应用调整信号。” }{,^@xdyW
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在这种情况下，研究人员发现，他们的微型激光器连续使用5小时后运行稳定。“我们可以在几个月或几年后将这些微珠从架子上拿下来，而且它们仍然在发光。”Fernandez-Bravo说。 <Q3oT
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研究人员还在探索如何通过简单地改变微珠的尺寸和组成来仔细调整连续发射的微型激光器的输出光。他们在称为WANDA（自动化纳米材料发现和分析工作站）的Molecular Foundry中使用了一个机器人系统，以结合不同的掺杂元素和调整纳米粒子的性能。 } K7#Q
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研究人员还指出，微型激光器有许多潜在的应用，例如控制神经元或光学微芯片的活动，感应化学物质以及检测环境和温度变化。 US+Q~GTA
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“起初这些微型激光器只能在空气中工作，这很令人沮丧，因为我们想把它们引入到生物系统中，” Cohen说。 “但我们发现了一种将它们浸入血清中的简单技巧，用蛋白质包裹在微珠上，使得它们在水中发光。我们现在已经看到，在激光束中的这些珠子可以与细胞一起被捕获和被我们用来激励它们的同一激光操控。” Lco~,OE
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他说，最新的研究以及开辟的新研究路径表明，这个意外结果是多么偶然。 “我们恰好碰巧有合适的纳米粒子和涂层工艺来生产这些激光器。”Schuck说。 ~,d,#)VE2q
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原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=50451.php（实验帮译）
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