微小的、生物相容的纳米激光可以在活体组织中发挥作用

研究人员已经开发出一种微小的纳米激光，它可以在活体组织内工作而不伤害它们。

激光只有50到150纳米厚，大约是人类一根头发厚度的千分之一。在这种尺寸下，激光可以适应活体组织并发挥作用，具有探测疾病生物标志物的潜力，或者可能用于治疗深度脑神经系统疾病，如癫痫。

由西北大学和哥伦比亚大学的研究人员开发的纳米激光显示出对活体组织成像的特殊前景。它不仅主要是由玻璃制成的，本质上是生物相容的，激光还可以被较长波长的光激发，并发出较短波长的光。

泰瑞奥多姆

西北大学的泰瑞·奥多姆(Teri Odom)是这项研究的负责人之一，她说:“生物成像需要更长的波长的光，因为它们比可见光更能穿透组织。”但在同样的深度区域，更短的波长的光通常是可取的。我们设计了一个光学清洁系统，可以有效地传输可见光，穿透深度可以达到更长的波长。”

纳米激光器还可以在非常有限的空间中工作，包括用于超快和低功耗电子器件的量子电路和微处理器。

这篇论文发表在今天(9月23日)的《自然材料》杂志上。奥多姆与哥伦比亚大学工程学院的p·詹姆斯·舒克共同领导了这项工作。

虽然许多应用需要越来越小的激光器，但研究人员不断遇到同样的障碍:纳米激光器的效率往往比宏观激光器低得多。这些激光器通常需要更短的波长，比如紫外光，来为它们提供能量。

机械工程副教授Schuck说:“这很糟糕，因为人们想要使用小型激光器的非常规环境很容易受到紫外线和低效操作产生的多余热量的伤害。”

奥多姆、舒克和他们的团队能够实现一个纳米激光平台，通过使用光子上转换来解决这些问题。在上转换过程中，低能量光子被吸收并转换成一个能量更高的光子。在这个项目中，研究小组从低能量、“生物友好”的红外光子开始，把它们向上转换成可见的激光束。由此产生的激光器可以在低功率下工作，而且垂直方向比光的波长小得多。

令人兴奋的是，我们的微型激光器的工作功率比现有的任何激光器都要小几个数量级。James Schuck
机械工程师

“我们的纳米激光器是透明的，但当眼睛无法看到光的光泵浦时，它可以产生可见的光子，”奥多姆说，他是西北大学温伯格艺术与科学学院的查尔斯·e·莫里森(Charles E. Morrison)和艾玛·h·莫里森(Emma H. Morrison)的化学教授。“连续波、低功耗的特性将会开启许多新的应用，尤其是在生物成像领域。”

Schuck说:“令人兴奋的是，我们的微型激光器的功率比现有的任何激光器都要小几个数量级。”

这项名为“超低阈值连续波上转换亚波长等离子体激射的lasing”的研究由美国国家科学基金会(奖励号为DMR-1608258)、美国国防部的Vannevar Bush教员奖学金(奖励号为N00014-17-1-3023)和美国能源部(DE-AC02-05CH11231)资助。费尔南德斯-布拉沃(Angel Fernandez-Bravo)和西北大学的王丹青(Danqing Wang)是该论文的共同第一作者。

奥多姆是西北大学国际纳米技术研究所、生命过程化学研究所和西北大学罗伯特·h·卢里综合癌症中心的成员。

主题:纳米技术、研究、温伯格艺术与科学学院