Des chercheurs de la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory ont trouvé le moyen de convertir des billes de plastique microscopiques recouvertes de nanoparticules en lasers plus petits que des globules rouges. Ces microlasers convertissent la lumière infrarouge en lumière à des fréquences plus élevées, et sont parmi les plus petits lasers à émission continue de ce type jamais rapportés.
A gauche : une minuscule perle frappée par un laser produit des modes optiques qui circulent à l’intérieur de la perle. A droite : une simulation de la distribution du champ optique à l’intérieur d’une perle de 5 microns. Crédit image : Berkeley Lab.
“La réduction de la taille des lasers à des dimensions microscopiques permet de mettre au point de nouvelles technologies spécialement conçues pour fonctionner dans des espaces confinés, allant des microprocesseurs ultra-rapides aux tissus cérébraux vivants”, ont déclaré Bruce Cohen, Emory Chan, James Schuck et leurs collègues, chercheurs à la Molecular Foundry.
“Cependant, la réduction de la taille des cavités augmente les pertes optiques et nécessite des puissances d’entrée plus importantes pour atteindre les seuils d’effet laser.”
Dans leurs recherches, les scientifiques ont découvert que lorsqu’un laser infrarouge excite des nanoparticules dopées au thulium enrobées à la surface des billes, la lumière émise par les nanoparticules rebondit sur la surface interne de la bille, tout comme des chuchotements rebondissent le long des murs d’une galerie de chuchotements.
La lumière peut faire des milliers de voyages autour de la circonférence de la microsphère en une fraction de seconde, ce qui fait que certaines fréquences de la lumière interagissent entre elles pour produire une lumière plus brillante tandis que d’autres fréquences s’annulent.
Lorsque l’intensité de la lumière voyageant autour de ces billes atteint un certain seuil, la lumière peut stimuler l’émission d’une autre lumière ayant exactement la même couleur, et cette lumière, à son tour, peut stimuler encore plus de lumière.
Cette boucle de rétroaction positive – la base de tous les lasers – produit une lumière intense à une gamme très étroite de longueurs d’onde dans les billes.
Lorsque les chercheurs ont exposé les billes à un laser infrarouge suffisamment puissant, les billes se sont transformées en lasers à conversion ascendante, avec des fréquences plus élevées que le laser original.
Les billes produisent également de la lumière laser aux puissances les plus faibles jamais enregistrées pour des lasers à nanoparticules à conversion ascendante.
D’autres lasers à nanoparticules à conversion ascendante ne fonctionnent que par intermittence ; ils ne sont exposés qu’à des impulsions lumineuses courtes et puissantes, car une exposition plus longue les endommagerait.
Dans ce cas, les scientifiques de la Fonderie moléculaire ont constaté que leurs microlasers fonctionnaient de manière stable après cinq heures d’utilisation continue, à la fois dans l’air et dans des milieux biologiques.
“La capacité de produire un effet laser à ondes continues dans des microcavités immergées dans du sérum sanguin met en évidence les applications pratiques de ces lasers à micro-échelle pour la détection et l’éclairage dans des environnements biologiques complexes”, ont-ils déclaré.
L’étude a été publiée dans le journal Nature Nanotechnology.
