Изготовление полимерных микросфер для оптического резонатора и лазерных приложений

Общая цель данной процедуры заключается в создании оптических микрорезонаторов для лазерных устройств, оптических схем, а также химических и биологических оптических сенсоров. Этот метод может помочь в решении ключевых вопросов в области функциональных полимерных материалов, таких как полимерная оптика, оптоэлектроника и электроника. Основным преимуществом данного простого и энергоэффективного метода является использование функциональных полимеров для изготовления оптических резонаторов, обладающих как оптическими, так и электрическими свойствами.

Процедуру продемонстрируют г-н Окада, г-н Закариас и г-н Оки, аспиранты моей лаборатории. Для начала метода диффузии паров в данной процедуре добавьте 5 мл метанола в виалу объемом 50 мл. Затем растворите 2 мг сопряженных полимеров в 2 мл хлороформа в виале объемом 5 мл.

Осторожно поместите флакон объемом 5 мл во флакон объемом 50 мл. После этого закройте флакон объемом 50 мл крышкой. Инкубируйте при 25 °C в течение трех дней для осаждения полимерных микросфер.

Для начала метода мини-эмульгирования растворите 5 мг сопряженных полимеров в 1 мл хлороформа. Затем растворите 30 мг SDS в 2 мл деионизированной воды. Добавьте 100 µL смеси полимера в раствор SDS.

Используя сверхвысокоскоростной гомогенизатор, перемешивайте смесь в течение двух минут при 30,000 RPM. Оставьте эмульсию открытой (без крышки) на один день для испарения хлороформа. На следующий день центрифугируйте дисперсию в центрифужной пробирке объемом 1.5 milliliter в течение пяти минут при 2,200 ×g.

После удаления супернатанта добавьте один миллилитр деионизированной воды и интенсивно встряхните. Повторите центрифугирование, удаление супернатанта и промывку водой три раза, чтобы полностью удалить остатки SDS. Для начала метода осаждения на границе раздела фаз растворите 20 миллиграммов полистирола и один миллиграмм флуоресцентного красителя в 20 миллилитрах тетрагидрофурана.

Добавьте 1 мл деионизированной воды в пустую микропробирку объемом 1,5 мл. Затем осторожно налейте 0,2 мл раствора THF на слой воды, стараясь не допустить смешивания слоев. Оставьте пробирку открытой на шесть часов для осаждения полимерных микросфер.

Для начала разбавьте суспензию подготовленных микросфер в 10 раз плохим растворителем, таким как метанол или деионизированная вода. С помощью спин-котера нанесите одну каплю разбавленной суспензии на кварцевую подложку методом центрифугирования. Высушите полученную пленку на воздухе до полного испарения растворителей.

Затем перенесите кварцевую подложку на предметный столик оптического микроскопа. Найдите изолированную и четко выраженную микросферу для измерения микрофотолюминесценции. Установите параметры лазера согласно текстовому протоколу и используйте сфокусированный лазерный луч для облучения микросферы.

С помощью спектрометра запишите спектр фотолюминесценции. Затем получите флуоресцентное изображение облученной микросферы. Для начала поместите кварцевую подложку на предметный столик оптического микроскопа.

Найдите одну четко определенную микросферу. Затем установите вольфрамовую микроиглу в аппарат для микроманипуляций. С помощью сенсорной панели управления переместите микроиглу и захватите микросферу.

Присоедините собранную микросферу к другой отдельной четко определенной микросфере. После этого облучите микросферу сфокусированным лазерным лучом. Используйте спектрометр для записи спектра фотолюминесценции.

Затем получите флуоресцентное изображение облученных микросфер. В данном исследовании четко определенные полимерные микросферы изготавливаются тремя различными методами: методом диффузии паров, методом мини-эмульсии и методом межфазного осаждения.

Сканирующая электронная микроскопия показывает, что методы диффузии пара и интерфейсного осаждения позволяют получать микросферы с очень гладкой морфологией поверхности. Однако микросферы, полученные методом мини-эмульсии, имеют шероховатую поверхность из-за покрытия всей поверхности сурфактантом. Затем регистрируется фотолюминесценция в режиме шепчущей галереи для отдельной микросферы из полимера один, полимера два и их смеси.

Было установлено, что для первого полимера добротность Q-фактор достигала 2 200. Однако микросферы, состоящие из второго полимера, достигли значения лишь 300, что, вероятно, обусловлено их шероховатой морфологией поверхности. Микросферы из смеси полимеров сохраняли высокую добротность Q-фактор на уровне 1 500, что, скорее всего, связано с их гладкой морфологией.

Полиморфные полистирольные микросферы, легированные поляронным красителем с фотолюминесцентными цветами зеленого, желтого, оранжевого и красного, были соединены в тетрасферы для исследования каскада межсферного переноса энергии. Перенос энергии света от зеленого к желтому и от желтого к оранжевому оказался эффективным, в то время как перенос энергии от оранжевого к красному не произошел из-за малого перекрытия фотолюминесцентной полосы донора энергии и полосы адсорбции акцептора энергии. Следовательно, апконверсионные переносы энергии, например от красного к оранжевому, желтому и зеленому, практически не происходят.

При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости избегать встряхивания флаконов, так как это может вызвать стремительное осаждение, приводящее к образованию неопределенных агрегатов. После выполнения данной процедуры можно применить другие методы, такие как эмульсионная и дисперсионная полимеризация, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, о том, как подготовить монодисперсные полимерные сферы для применения в коллоидных фотонных кристаллах. После разработки этот метод открыл исследователям в области полимерной химии путь к изучению возможностей применения функциональных полимеров в оптике и лазерной технике.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как подготавливать микрооптические резонаторы методом восходящей самосборки. Не забывайте, что работа с лазерными устройствами требует особой осторожности для защиты глаз от воздействия лазерного излучения.