Оптические микрорезонаторы — это миниатюрные устройства, которые можно сравнить с круглой зеркальной комнатой, где луч света снова и снова отражается от стен. Из-за этого он становится гораздо интенсивнее. Благодаря этому свойству такие «усилители» можно использовать при создании миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и оптических меток для защиты драгоценностей от подделки.
Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) создали микрорезонатор, который не просто удерживает и усиливает свет, но и сам его генерирует.
За основу ученые взяли стандартные микрорезонаторы — сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность авторы поместили светящиеся люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы, состоящие из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.
Затем исследователи нанесли еще два дополнительных слоя — полимер и золотые наночастицы. Первый выполнял роль изолятора — он не давал золоту взаимодействовать с нижележащими нанокристаллами и тушить их свечение. Золото служило «антенной», которая усиливает свет, испускаемый микрорезонатором.
Когда на полученный микрорезонатор действуют даже относительно слабым лазером, нанокристаллы из серебра, индия и серы или углеродные точки на его поверхности испускают свет сразу во все стороны. Большая часть этого излучения «вылетает» из микрорезонатора хаотично, превращаясь в бесполезный фоновый сигнал. Но другая, меньшая часть излучения попадает в «ловушку» внутри полистирольной микросферы: из-за многократных отражений от ее стенок она остается внутри, при этом «подхватывает» свечение от других нанокристаллов и благодаря этому становится в сотни раз ярче.
Ученые экспериментально подтвердили «тушение» побочных сигналов и многократное увеличение яркости свечения, прошедшего через полость микросферы. Более того, исследование показало, что, меняя архитектуру нанесения слоев, можно «настраивать» излучение люминофоров, что позволит создавать микрорезонаторы с оптимальными свойствами под разные задачи. При этом важно отметить, что все компоненты микросфер нетоксичны, а потому разработку можно будет использовать для анализа биологических образцов, например клеток и тканей.
Ранее ученые создали материал, который более чем в 10 тысяч раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии — метода для анализа состава самых разных смесей. Благодаря разработке этот подход удастся применять для выявления даже минимальных концентраций интересующих молекул в сложных средах — крови, водоемах, продуктах нефтепереработки и других.
«В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа «лаборатория на чипе» с возможностью параллельного детектирования аналита на детекторном и аналитическом каналах. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные мультикомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер», — рассказал руководитель проекта Кирилл Богданов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией рамановской спектроскопии полупроводниковых и диэлектрических наноструктур международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.
