Fabrication de microsphères polymères pour résonateurs optiques et applications laser

L'objectif général de cette procédure est de produire des micro-résonateurs optiques pour des dispositifs laser, des circuits optiques, ainsi que des capteurs optiques chimiques et biologiques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des matériaux polymères fonctionnels, telles que l'optique polymère, l'optoélectronique et l'électronique. Le principal avantage de cette technique simple et à faible consommation d'énergie réside dans l'utilisation de polymères fonctionnels pour fabriquer des résonateurs optiques possédant à la fois des propriétés optiques et électriques.

La démonstration de la procédure sera effectuée par M. Okada, M. Zakarias et M. Oki, étudiants diplômés de mon laboratoire. Pour commencer la méthode de diffusion de vapeur dans le cadre de cette procédure, ajoutez cinq millilitres de méthanol dans un flacon de 50 millilitres. Ensuite, dissolvez deux milligrammes de polymères conjugués dans deux millilitres de chloroforme dans un flacon de cinq millilitres.

Placer soigneusement le flacon de cinq millilitres à l'intérieur du flacon de 50 millilitres. Ensuite, boucher le flacon de 50 millilitres. Incuber à 25 degrés Celsius pendant trois jours afin de précipiter les microsphères polymériques.

Pour commencer la méthode de mini-émulsion, dissolvez cinq milligrammes de polymères conjugués dans un millilitre de chloroforme. Ensuite, dissolvez 30 milligrammes de SDS dans deux millilitres d'eau déionisée. Ajoutez 100 microlitres du mélange polymère à la solution de SDS.

À l’aide d’un homogénéisateur ultra-rapide, agiter pendant deux minutes à 30 000 tr/min. Laisser reposer l’émulsion un jour sans bouchon afin d’évaporer le chloroforme. Le lendemain, centrifuger la dispersion dans un tube de centrifugation de 1,5 millilitre pendant cinq minutes à 2 200 × g.

Après avoir retiré le surnageant, ajoutez un millilitre d'eau déionisée et agitez vigoureusement. Répétez la centrifugation, l'élimination du surnageant et le lavage à l'eau trois fois afin d'éliminer complètement tout résidu de SDS. Pour commencer la méthode de précipitation à l'interface, dissolvez 20 milligrammes de polystyrène dans un milligramme de colorant fluorescent dans 20 millilitres de tétrahydrofuranne.

Ajoutez un millilitre d'eau déionisée dans un microtube vide de 1,5 millilitre. Ensuite, versez délicatement 0,2 millilitre de la solution de THF sur la couche d'eau, en prenant soin de ne pas mélanger les deux couches. Laissez le tube au repos pendant six heures sans bouchon afin de précipiter les microsphères polymériques.

Pour commencer, diluez une suspension de microsphères préparées par un facteur de 10 à l’aide d’un solvant pauvre tel que le méthanol ou l’eau déionisée. À l’aide d’un dispositif de dépôt par rotation, déposez une goutte de la suspension diluée sur un substrat de quartz. Laissez sécher à l’air le film obtenu jusqu’à évaporation complète des solvants.

Ensuite, transférez le substrat en quartz sur la platine de l'échantillon d'un microscope optique. Identifiez une microsphère isolée et bien définie pour la mesure de microphotoluminescence. Réglez les conditions du laser conformément au protocole décrit dans le texte et utilisez un faisceau laser focalisé pour irradier la microsphère.

À l'aide d'un spectromètre, enregistrez le spectre de photoluminescence. Ensuite, prenez une image fluorescente de la microsphère irradiée. Pour commencer, placez le substrat en quartz sur la platine de l'échantillon d'un microscope optique.

Identifier une microsphère unique bien définie. Ensuite, placer une microlame en tungstène sur un appareil de micromanipulation. À l’aide d’un contrôleur à écran tactile, déplacer la microlame et ramasser la microsphère.

Reliez la microsphère recueillie à une autre microsphère unique bien définie. Ensuite, irradiez la microsphère avec un faisceau laser focalisé. Utilisez un spectromètre pour enregistrer le spectre de photoluminescence.

Ensuite, prendre une image fluorescente des microsphères irradiées. Dans cette étude, des microsphères polymériques bien définies sont fabriquées en utilisant trois méthodes différentes : la méthode de diffusion de vapeur, la méthode de mini-émulsion et la méthode de précipitation à l'interface.

La microscopie électronique à balayage montre que les méthodes de diffusion de vapeur et de précipitation à l'interface produisent des microsphères ayant une morphologie de surface très lisse. Cependant, celles obtenues par la méthode de mini-émulsion sont rugueuses parce que le tensioactif recouvre toute la surface. Le mode de résonance en galerie chuchotante de la photoluminescence est ensuite enregistré pour une microsphère unique du polymère un, du polymère deux et de leur mélange.

Le facteur Q a atteint jusqu'à 2 200 pour le polymère un. Les microsphères composées du polymère deux, cependant, n'ont atteint qu'une valeur maximale de 300, probablement en raison de leur morphologie de surface rugueuse. Les microsphères composées du mélange de polymères ont conservé un facteur Q élevé de 1 500, probablement en raison de leur morphologie lisse.

Des microsphères polymorphes de polystyrène dopées avec des colorants polaron présentant des couleurs photoluminescentes vertes, jaunes, oranges et rouges ont été connectées pour former des tétrasphères afin d'étudier la cascade de transfert d'énergie entre sphères. Le transfert d'énergie lumineuse du vert vers le jaune et du jaune vers l'orange s'avère efficace, tandis que le transfert d'énergie de l'orange vers le rouge ne se produit pas en raison du faible recouvrement entre la bande photoluminescente du donneur d'énergie et la bande d'absorption de l'accepteur d'énergie. Par conséquent, des transferts d'énergie inversés, tels que du rouge vers l'orange, le jaune et le vert, se produisent difficilement.

Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de se rappeler d'éviter de secouer les vials, ce qui pourrait provoquer une précipitation rapide menant à des agrégats mal définis. Après cette procédure, d'autres méthodes comme la polymérisation en émulsion et la polymérisation en dispersion peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires, telles que la préparation de sphères polymériques monodisperses pour des applications aux cristaux photoniques colloïdaux. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la science des polymères pour explorer des applications optiques et laser utilisant des polymères fonctionnels.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de préparer des résonateurs micro-optiques par un processus d'auto-assemblage ascendant. N'oubliez pas que l'utilisation d'appareils laser exige des précautions particulières afin de se protéger contre les faisceaux laser pouvant endommager vos yeux.