Loodi mikroskoopiline, muudetava lainepikkusega plasmonlaser

USA teadlased on loonud laseri, mis on ühtaegu väga väike ja reguleeritava lainepikkusega. Loodud laser on vaid mõne nanomeetri paksune, see koosneb läbipaistvate plaatide vahele asetatud ja värvainega ümbritsetud kulla nanoosakeste ruudustikust. Uue laseri abil loodetakse efektiivsemalt jälgida vähiuuringutes kasutatavaid biomarkereid.

USA teadlaste loodud seadme skeem on alumisel pildil. Kollased täpid on seal kulla nano-osakesed, mis on paigutatud läbipaistvate plaatide vahele. Plaatide vahele mahub ka värvaine, mis ergastamisel valgust kiirgab, sarnaselt sellele, mida me näeme erinevates luminestsentsikatsetes. Sellist laserstruktuuri pumbati/ergastati 800nm femtosekundlaseriga. Kriitiliseks pumpamise intensiivsuseks osutus 0,1 mJ/cm²  ja see on üsna väike võimsus. Kiiratava valguse lainepikkust saab muuta plaatide vahel (ja kulla nano-osakeste ümber) oleva värvaine parameetreid muutes, kusjuures kiiratava valguse lainepikkust saab muuta vahemikus 850-900nm.

Kui meil on meeles, mismoodi töötab “tavaline” laser , siis on peaks kõik selles struktuuris olema enam-vähem arusaadav, välja arvatud kulla nano-osakesed. Tsiteerime nüüd Tartu Ülikooli füüsika magistrandi Ardi Loot’i magistritööd:

Paljudes kaasaegsetes optika ja optoelektroonika seadmetes, näiteks päikesepaneelides, valgusallikates, telekommunikatsioonis ja sensoorikas, on tähtis valguse ning aine omavaheline efektiivne interaktsioon. See on aga tugevalt pärsitud valguse lainepikkuse ning aatomite/molekulide suuruse tohutu erinevuse tõttu, valguse lainepikkus on pea kolm suurusjärku suurem. Traditsiooniliselt on valguse ja aine omavahelise interaktsiooni suurendamiseks kasutatud optilisi elemente nagu läätsed ja peeglid, millega on võimalik valgust fokuseerida, kuid mitte väiksemaks punktiks kui läbimõõduga pool valguse lainepikkust. See on fundamentaalne piirang, mis tuleneb Heisenbergi määramatuse printsiibist .

Üks paljutõotav lahendus on kasutada metallpindu ja -osakesi, et suurendada aine interaktsiooni valgusega. Metalli muudab huvitavaks vabade elektronide võnkumine valguse toimel ehk pinnaplasmonresonantsid. Need võimaldavad elektromagnetvälja energia fokuseerida nanoskaalas mõõtmetesse metallipinna lähedal. Plasmoonikale (teadussuund, mis tegeleb pinnaplasmon resonantsi fundamentaal- ja rakendusuuringutega) pööratakse suurt tähelepanu, kuna selle unikaalsete omaduste tõttu on võimalik mitmete olemasolevate optiliste ja optoelektrooniliste seadmete efektiivsuse suurendamine mitmeid suurusjärke.

Üks tuntuim rakendus on pindvõimendatud Raman-hajumine (surface-enhanced Raman scattering SERS), mille puhul kasutatakse karedat metallipinda Raman-signaali võimendamiseks. Efekt põhineb pinnaplasmonresonantsi omadusel neelata valguse energia suurelt alalt ning jaotada elektrivälja tugevus ümber nii, et metalliosakese lähedal on tugevalt võimendatud väli (kuni 1000korda). Kuna Raman-hajumise puhul on tegemist elektrivälja tugevuse 4ndast astmest sõltuva protsessiga, siis on Raman-signaal võimendatud kuni 10¹² korda ja seetõttu on võimalik ka üksiku molekuli uurimine.

Sarnaselt saab võimendada ka aatami/molekuli spontaanset kiirgust. Eriti suurt huvi pakub see biosensorites ning kõrglahutusega fluorestsentsmikroskoopides, kus on tähtis väikese hulga (piirjuhul ühe) molekuli efektiivne ergastamine. Erinevalt Raman-hajumisest tuleb nüüd arvestada ka sellega, kuidas spontaanne kiirgus interakteerub metallpinnaga.

Tsitaadi lõpp.

Läks klaarimaks? Loodud laseris on metalliks kulla nano-osakesed ning tegemist on plasmon-laseriga. Kusjuures kiiratava valguse lainepikkuse muutmiseks peab muutuma justnimelt pinnaplasmonresonantsi sagedus. Nii et sarnasus tavalise laseriga, kus olulist rolli mängivad resonaatori otstes olevad peeglid, on vaid näiline.

 

Allikad:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/apr/23/tunable-plasmon-laser-could-sniff-out-cancer

http://www.nature.com/ncomms/2015/150420/ncomms7939/full/ncomms7939.html