Microesferas de mistura de polímero orgânico exibem laser de limite ultrabaixo com o maior fator de qualidade relatado

Microesfera de fator de alta qualidade feita de uma mistura de polímeros (canto superior direito, emitindo luz). Crédito: Jorge González-Sierra

Pesquisadores da IMDEA Nanociencia fabricaram microesferas de alta qualidade a partir de misturas de polímeros orgânicos conjugados com excelentes propriedades de laser. A emissão de laser das microesferas tem o maior fator de qualidade relatado até o momento, Q>18.000.

Microrressonadores ópticos dielétricos confinam e concentram a luz em um pequeno caminho circular devido a múltiplas reflexões internas quase totais na interface dielétrica-ar curva, onde a luz interfere construtivamente para certos comprimentos de onda. Esses microrressonadores oferecem a possibilidade de obter controle do confinamento e propagação da luz por meio do ajuste preciso de sua forma, tamanho e índice de refração.

Entre eles, os ressonadores esféricos são particularmente interessantes devido aos seus altos fatores Q (razão entre a frequência de ressonância e sua largura de banda) das ressonâncias Mie correspondentes, ou “modos de galeria sussurrantes”.

O fator Q é, em essência, uma medida de quão bem a luz pode ser capturada na microesfera ao longo do tempo, e fatores Q altos correspondem a linhas de laser estreitas, uma característica desejada ao projetar aplicações de laser.

As ressonâncias estreitas permitem aplicações no campo de detecção óptica, incluindo dispositivos com alta sensibilidade a pequenas variações físicas ou químicas no campo óptico próximo dos ressonadores. Além disso, altos fatores Q pavimentam o caminho para aplicações no campo de emissão espontânea amplificada e laser de microesferas feitas com materiais luminescentes.

Até agora, microlasers baseados em polímeros conjugados foram relatados com fatores Q típicos em torno de 1.000. Polímeros conjugados surgiram como excelentes materiais de laser orgânico por suas excelentes propriedades optoelétricas e fácil processabilidade.

Dentre todas as geometrias de ressonadores, as microesferas feitas de polímeros conjugados combinam grande absorção óptica com alto rendimento quântico de fotoluminescência, proporcionando um aumento de brilho em relação às microesferas comerciais dopadas com corante sob as mesmas condições de fotoexcitação.

Pesquisadores do instituto IMDEA Nanociencia (Madri, Espanha), liderados pelo Dr. Reinhold Wannemacher e pelo Dr. Juan Cabanillas, relataram microesferas baseadas em misturas de polímeros conjugados exibindo laser com o maior fator de qualidade relatado até o momento, Q> 18.000.

Os limiares baixos de lasing relatados são baseados na transferência de energia (Förster Resonant Energy Transfer, FRET) entre os constituintes do polímero das misturas, um mecanismo que reduz a absorção residual no comprimento de onda do lasing. Esses limiares baixos são promissores para o desenvolvimento de microlasers que podem ser bombeados por diodos laser de baixo custo.

Os resultados foram publicados em Materiais Ópticos Avançados.

Juntos, limiares baixos e linhas de laser estreitas permitem a detecção ultrassensível de variações de parâmetros físicos (pH, temperatura), bem como da composição química do ambiente das microesferas e, no caso de microesferas com superfícies funcionalizadas por grupos orgânicos específicos, detecção ultrassensível e altamente específica de biomoléculas.

Este último é altamente relevante para o desenvolvimento de biodetectores portáteis e de baixo custo, que permitiriam o diagnóstico rápido de doenças nos pontos de atendimento.