這項研究源于伯克利實驗室的分子實驗室（Molecular Foundry）最初的理論發(fā)現(xiàn)，該研究利用計算模型預測暴露于特定頻率紅外激光的摻銩納米微粒（thulium－doped nanoparticles），將發(fā)出更高頻率的光，事實上，這就是一種光的“上轉(zhuǎn)換（upconversion）”現(xiàn)象。

目前，研究者已通過實驗證明了這種上轉(zhuǎn)換，并在名為“Continuous－wave upconverting nanoparticle microlasers”的論文中完整地記錄為“回音壁模式激光（whispering mode laser）”的一種形式，該論文發(fā)表于《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志。

圖左：由激光照射的微球（在圖像頂部顯示的黃色斑點）產(chǎn)生循環(huán)于微球內(nèi)部（粉紅色的環(huán)）的光模態(tài)；圖右：模擬了5μm微球內(nèi)部光場的分布情況（圖片來源：Angel Fernandez－Bravo ／勞倫斯伯克利國家實驗室）

當紅外激光激發(fā)了微球外表面的摻銩納米微粒時，納米微粒發(fā)出的光就可在微球內(nèi)表面反彈，如同圓形墻壁上反射的聲波（回音壁）一樣。由于光在幾分之一秒的時間內(nèi)圍繞微球進行了數(shù)千次圓周運動，這會導致某些頻率的光自身產(chǎn)生干涉，可在相長干涉時產(chǎn)生明亮的光，在相消干涉時產(chǎn)生暗點。一旦達到一定閾值，光就可以在級聯(lián)放大效應中激發(fā)更多的光發(fā)射。

研究人員通過利用在摻銩上轉(zhuǎn)換納米微粒和合適微球尺寸中發(fā)現(xiàn)的能量循環(huán)激發(fā)機制，實現(xiàn)了極低激發(fā)水平的連續(xù)波上轉(zhuǎn)換激光。

該論文還指出，使用紅外線照射特殊涂層微粒，使其在藍色和近紅外波長下產(chǎn)生穩(wěn)定的激光，可持續(xù)超過5小時。這與其他報告中的只能間歇運行的上轉(zhuǎn)換納米級激光形成了鮮明的對比。

該論文的作者之一Jim Schuck解釋說：“大多數(shù)基于納米粒子的激光器升溫會很快，并會在幾分鐘內(nèi)熄滅。我們的激光則會一直存在，該性能讓我們可針對不同應用調(diào)整其信號。”

目前，研究人員正在探索：通過改變微球的大小和組成，來調(diào)整這種連續(xù)發(fā)射微激光器的輸出光。他們正利用分子實驗室名為“WANDA（自動納米材料發(fā)現(xiàn)和分析工作站）”的機器人系統(tǒng)，來將不同摻雜元素結(jié)合起來，并調(diào)整納米微粒的性能。

研究者們認為這些微尺寸激光器可在復雜的生物環(huán)境中找到傳感和照明的相關(guān)應用。