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AP封面故事 (Vol.3, Iss. 1): "彩虹"激光振荡模式:小液滴中看大世界

发布:lina000288阅读:809时间:2021-3-18 16:27:10

Advanced Photonics | "彩虹"激光振荡模式:小液滴中看大世界

 

    谐振腔通常是激光器中不可或缺的一个部分。在传统意义上,它一般由一组反射率非常高的镜面组成,目的之一就是让光子在一个受约束的环境中不断振荡,充分的与腔内物质发生相互作用,这样出射的光子就能够带有腔内物质(模式)的信息。换句话说,激光的光子往往可以帮助我们理解隐含在谐振腔内部的奥秘。

    然而,谐振腔只能由一对高反镜组成吗?不妨让我们把视野回到大自然中:从水中出射到空气的光束会因为折射率的差异形成全反射。因此,在大气条件下,具有高折射率的液滴其实就可以构成一个非常简单的谐振腔。

    小小的液滴也可以蕴含着大大世界。近些年,以液滴为腔体的微型生物激光器因其生物相容性而备受关注。受益于激光在腔体内的振荡与放大,微腔中的细微变化可以引起输出激光的强烈变化,因此液滴激光器成为生物研究的前沿平台。然而,目前为止,液滴激光器与界面的作用机理仍未被揭示。

    近期,新加坡南洋理工大学陈又诚教授研究团队揭示了水滴激光与液-固界面的相互作用机理,并且利用水滴激光记录了生物界面处的生物分子力学变化。研究成果以Lasing action in microdroplets modulated by interfacial molecular forces为题,发表在Advanced Photonics2021年第1期,并被选为封面论文。

图1 Advanced Photonics2021年第1期封面

"彩虹"振荡模式

    当液滴与固体界面接触时,就会形成一座座半球形的"堡垒"。在早期的研究中,科学家们通常认为进入"堡垒"的光束只会沿着墙壁不断的反射、转圈,形成著名的"回音壁模式"(WGM)。然而,当光束沿着垂直于界面的方向射入时,由于镜面的垂直反射以及水滴表面的全内反射,一种新型的激光振荡模式诞生了:"彩虹"振荡模式。

    在这一模式中,光束沿着半球形液滴的"穹顶"不断来回反射(图2(a)(b)),形成"彩虹"或"拱桥"形状的振荡路径。与传统"回音壁模式"不同,研究人员通过实验和理论模拟证明:沿这条路径振荡的光子携带着与液滴的界面张力以及界面接触角有着紧密联系的信息。随着界面张力以及水滴接触角的增加,"彩虹"模式的振荡路径数量与品质因数不断增加,从而引起输出激光强度的显著增强(图2(c)(d))。

图2 (a)水滴激光器示意图。"水滴-镜面"界面处的分子疏水力管理水滴接触角,从而影响水滴中"彩虹"或"拱桥"形状的激光振荡模式。(b)"彩虹"或"拱桥"形状的激光振荡路径随水滴接触角的变化。(c)(d)(e)不同界面张力下的水滴激光图像(c),激光光谱(d)以及激光强度(e)

从液滴激光看界面分子力变化

    水,作为生命的基质,参与基本的生物活动。尤其当水与生物界面相互作用时,生物分子的疏水力决定了生物分子与水分子的平衡,在宏观上就表现为液滴(水滴)与固体表面接触角的变化。因此具有"彩虹"振荡模式的激光就能够帮助人们揭示出液滴中形形色色的生物分子。

    陈教授研究团队发现由非常低浓度生物分子诱导的生物分子力的微小变化可以通过液滴激光的输出光强定量的展现出来。比如在液滴中随着牛血清白蛋白(BSA)分子浓度的升高,液滴分子与界面的接触角也随之减小,从而导致由"彩虹"振荡模式输出的液滴激光光强逐渐下降。(图3)。

图3(a)利用水滴激光记录界面生物分子吸附的示意图。(b)界面张力,水滴接触角以及水滴激光强度随水滴中牛血清白蛋白(BSA)分子浓度的变化。(c)(d)水滴接触角以及水滴激光强度随水滴中胰岛素(Insulin)以及V5多肽浓度的变化

    该工作揭示了液滴激光器的一个重要激光振荡机制,并且展示了液滴激光器放大界面分子力学变化的能力。陈教授团队表示这项工作可以开辟微腔激光器在生物力学研究方面新的应用前景。

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