Капли воды используются для создания биологических микролазеров, которые используют внутреннюю способность воды ограничивать свет с минимальным рассеянием. Капельные лазеры выигрывают от лазерных колебаний в микрополости, поэтому любые незначительные изменения, вызванные усиливающей средой или резонатором, могут быть усилены, что приводит к резким изменениям характеристик лазерного излучения.
В то время как капельные лазеры стали передовыми платформами в биохимических / физических исследованиях и биомедицинских приложениях, оптическое взаимодействие между капельными резонаторами и интерфейсом остается неизвестным.
Как сообщается в Advanced Photonics, группа NTU Чена недавно обнаружила, что, когда капля воды взаимодействует с поверхностью, образуя контактный угол, межфазные молекулярные силы определяют геометрию резонатора капли. Резкие механические изменения на границе раздела играют важную роль в оптических колебаниях капельных резонаторов.
Группа Чена открыла механизм колебаний капельных резонаторов, в котором лазер резонирует вдоль границы раздела капля-воздух в вертикальной плоскости.
Чен отмечает, что этот вертикально ориентированный "радужный" или "дугообразный" режим генерации отражается назад и вперед между двумя концами границы раздела капель, образуя уникальное и чрезвычайно сильное лазерное излучение. Команда Чена заметила, что, в отличие от обычно наблюдаемой моды шепчущей галереи (WGM), этот недавно открытый механизм генерации намного более чувствителен к межфазным молекулярным силам. По словам Чена, «лазерное излучение этого дугообразного режима резко возрастает с увеличением межфазной гидрофобности, а также с увеличением краевого угла смачивания капель."
Пытаясь объяснить это модулирующее явление, команда Чена также обнаружила, что добротность новых режимов генерации значительно увеличивается с увеличением краевого угла смачивания капли. При этом резко увеличилось количество путей генерации мод генерации в каплях. «Вместе эти два фактора определяют усиление лазерного излучения за счет силы межфазных молекулярных сил», – говорит Чен.
Основываясь на своем открытии, команда Чена изучила возможность использования капельных лазеров для регистрации механических изменений на биоинтерфейсах. Как и ожидалось, они обнаружили, что крошечное изменение межфазных биомолекулярных сил, вызванное очень низкой концентрацией биомолекул, таких как пептиды или белки, может быть зарегистрировано лазерным излучением капельных лазеров.
По словам Чена: «Эта работа демонстрирует важный механизм модуляции в капельных резонаторах и показывает потенциал использования оптических резонаторов для усиления изменений межмолекулярных сил."Понимание механизма генерации открывает новые перспективы использования микролазеров для изучения биомеханических взаимодействий и физики интерфейса. Поскольку капельные лазеры могут предоставить новую платформу для изучения межмолекулярных физических взаимодействий на границе раздела, они могут быть особенно полезны для изучения гидрофобных взаимодействий, которые играют жизненно важную роль во многих физических динамиках и биологических системах.