Optofluidic microlasers based on non-radiative energy transfer in surface-supported liquid microdroplets

Abstract

Optoakışkanlık, optik aygıtları oluşturmak için, sıvıları temel yapı parçası olarak içeren, optik ve mikroakışkanları birleştiren bilimsel ve teknolojik araştırma alanıdır. Optoakışkanlık, optik aygıtları oluşturmak için, sıvıları temel yapı parçası olarak içeren ve işlevleri sıvı tarafından tanımlanmış akışkan içindeki parçacıkların analizini geniş bir uygulama alanına dönüştürür. özellikle, optofluidik lazerler, lazer çınlaç ve kazanç ortamında uyarılmış ışımanın yüksek hassasiyeti sayesinde biyolojik algılayıcıların gelişiminde önemli yer tutar. Optofluidik lazerlerde, kazanç ortamı direk boya molekülünün uyarılma izgesinde uyarıldığı gibi, verici molekül darbeli lazer ile direk uyarıldıktan sonra, verici ve alıcı moleküller arasındaki yüksek verimli ışımayan çınlayan erk dönüşümü (FRET) sonucu, alıcının ışıma izgesinde lazer ışıması gözlemlenebilir. FRET'e dayalı optofluidik boya lazerler, ışıma dalgaboyunu artırabilir ve biyolojik algılama için yeni yolları bir araya FRETin yüksek hassasiyeti sayesinde getirebilir. Bu tezde, ilk olarak doygun soğuran boya molekülü ve lazer boyası karışımı kullanılarak oluşturulan kazanç ortamıyla oluşturulan boya lazerinin özellikleri hız denklemleri yöntemi kullanılarak kuramsal olarak incelenmiştir. Hız denklemleri yöntemi, iki aynalı boya lazerinin oluşturduğu çınlaçın nasıl çalıstığını ve çınlaç içindeki nüfus yoğunluğu ve foton yoğunluğu diferansiyel denklemlerini tanımlamaktadır. Burada, lazer darbe özelliklerini ve çıkış gücünün giriş gücüne zaman içinde değişimini gösterdik. İkinci bölümde, FRET kazanç ortamı olarak kullanılarak, su tutmayan yüzeylerde gliserol-su karışımı mikrodamlacıklar, optofluidik mikrolazer olarak çalıştırılmışlardır. Bu mikrodamlacıklar fısıldayan geçit kipleri (FGK) barındıran doğal mikroçınlaç olarak optoakışkanlarla tümleşmiştir. FRET'te iki kromofor boya molekülü arasında gerçekleşen erk dönüşüm olgusu ışımadan, verici ve alıcı moleküller arasında dipol-dipol etkisi üzerinden gerçekleşir. Deneyimizde damlacıklar FRET verici-alıcı molekül çifti Rhodamine 6G (R6G)-Rhodamine 700 (R700) ile katkılanmıştır. Farklı derişimlerdeki verici ve alıcı moleküllerle FRET ışıması incelendiğinde, oldukça düşük lazer eşiği elde edilmiştir. Ayrıca değişkenler üzerinde çalışılarak deneyde erk dönüşümünün türü doğrulanmıştır.

Optofluidics is a recently established research field combining the microfluidic chip technology with optics. It allows for a broad range of applications aiming to develop new photonic devices whose functions are defined by the liquid or to build new integrated photonic devices in which light is used for excitation, analysis, or manipulation of the fluid and the particles in the fluid. In particular, optofluidic lasers hold great promise for developing biological sensors thanks to the high sensitivity of stimulated emission to small perturbations in the laser cavity and gain medium. In an optofluidic dye laser, the gain medium can be directly excited by tuning the pump laser into dye absorption band or non-radiative Förster resonance energy transfer (FRET) can be employed exciting donor molecules which transfer their energy efficiently to acceptor molecules. Optofluidic dye lasers based on FRET enable the extension of the lasing wavelength range and provide new ways of biological sensing thanks to the high sensitivity of FRET efficiency to the donor-acceptor pair separation. In this thesis, the behavior of energy-transfer dye lasers using a mixture of saturable absorber and laser dye as an active medium is investigated theoretically by using rate-equation model. The rate equation model describing the working principle of such dye laser consists of coupled differential equations for the population of energy levels of the dye and the absorber and photon density inside the cavity. Here, we study the temporal characteristics and power of the output lasing pulses as a function of the fluence of the pulsed excitation beam. In the second part, we demonstrate optofluidic microlasers using highly efficient non-radiative FRET for pumping of the gain medium placed within glycerol/water microdroplets situated on a superhydrophobic surface. These droplets can serve as natural microcavities hosting whispering gallery modes (WGMs). Droplets are doped with the FRET donor-acceptor dye pair Rhodamine 6G-Rhodamine 700. FRET lasing is characterized for different acceptor and donor concentrations, and low threshold pump fluences of acceptor lasing are demonstrated. We also verify the nature of the energy transfer (non-radiative vs. radiative) for the range of parameters studied in the experiments.