Вчені створили мікролазер, що складається з полістирольної мікросфери, вкритої шаром наночастинок змішаного фториду іттрію і натрію з невеликою домішкою іонів тулія. Такий мікролазер може поглинати безперервне інфрачервоне випромінювання, перетворюючи його на періодичні імпульси з більшою енергією. Спектральні характеристики, потужності збуджувального випромінювання і можливість довгої безперервної роботи роблять такі частинки перспективним мікроустроєм для біологічного та медичного аналізу, пишуть вчені в.
Розмір лазерів - джерел монохроматичного електромагнітного випромінювання - може варіюватися від мікрометрів до декількох десятків метрів залежно від використовуваного матеріалу, потужності отримуваного світлового пучка і конфігурації пристрою. Найменші лазери зазвичай являють собою невеликі частинки, що складаються з напівпровідникових матеріалів, які утворюють мікродіод або оптичний мікрорезонатор, здатний поглинати світло однієї частоти і перевипромінювати його у вигляді більш потужних імпульсів іншої частоти. Використовуватися такі частинки можуть при створенні мікропроцесорів або для хімічного аналізу в мікросистемах - як природного, так і штучного походження. Однак через дуже невеликий розмір оптичних мікрорезонаторів можуть помітно збільшуватися енергетичні втрати - це сильно знижує ефективність таких мікроустроїв і вимагає досить потужних джерел збуджувального випромінювання, що робить багато з таких лазерів неприменимими, наприклад, для медичного або біологічного аналізу.
Група дослідників з США, Італії та Казахстану під керівництвом Джеймса Щука (P. James Schuck) з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі запропонувала новий тип ефективних мікролазерів, що складаються з полістирольної сфери розміром п'ять мікрометрів, покритої наночастинками змішаного фториду іттрію і натрію з невеликою прикладом іонів тулія. Відомо, що полістирольна мікросфера може використовуватися як оптичний мікрорезонатор з ефектом шепочучої галереї для випромінювання в інфрачервоному і видимому діапазонах спектру. А наночастинки з іонами деяких металів-лантанідів (зокрема, з іонами тулія Tm3 +) за рахунок своєї енергетичної структури можуть поглинати світло з однією частотою, випускаючи після цього фотони з більшою частотою, тобто підвищуючи їх енергію. Так, у разі іонів тулія відбувається поглинання декількох фотонів з довжиною хвилі 1064 нанометра і випускання фотонів з довжинами хвиль 800 і 470 нанометрів (причому перших - більше, ніж других).
Таким чином, вся ця система, що складається з мікросфери, покритої наночастинками, може поглинати безперервне випромінювання в інфрачервоній області, після чого на наночастинках відбувається переиспускання фотонів з однієї з двох довжин хвиль менше початкової. Потім ці фотони потрапляють у полістирольний мікрорезонатор, а звідти після багаторазових перевідражень від внутрішніх стінок та інтерференції між собою світло випромінюється у вигляді окремих монохроматичних імпульсів підвищеної інтенсивності. За словами вчених, основна гідність такого лазера - можливість безперервно випромінювати світло в ближній інфрачервоній (800 нанометрів) і видимій (470 нанометрів) частинах спектру протягом декількох (до п'яти) годин.
Потужність випромінювання, необхідного для збудження такого лазера, становить всього 14 кіловат на квадратний сантиметр. При цьому довжина хвилі збуджувального випромінювання дозволяє йому вільно проходити крізь біологічні середовища, а розмір мікросфери дає можливість вводити мікролазер в тканині або всередину живого організму, тому такий пристрій можна використовувати для аналізу біологічних молекул, зокрема в медичних цілях. Як приклад вчені показали, як у сироватці крові такий лазер допомагає детектувати, зв'язувати і аналізувати рух молекул деяких білків або ДНК.
Вчені стверджують, що запропонований ними мікролазер, здатний підвищувати частоту випромінювання, здатний до значно довшої стійкої роботи порівняно з іншими аналогічними пристроями. За словами авторів, використовувати такий мікролазер можна як всередині живих організмів для медичного аналізу, так і, наприклад, для створення фотонних комп'ютерів.
Якщо в подібних мікролазерах використовувати сфери, що складаються не з полістиролу, а з монокристалічних матеріалів, то можна значно збільшити час життя одного фотона всередині таких частинок. Наприклад, нещодавно французькі фізики запропонували використовувати для цього фторидне скло, доповане ербієм. Через ефект осциляцій когерентних популяцій час життя фотона в такому мікрорезонаторі може досягати близько 2,5 мілісекунди.