新型多光子激发微纳激光的设计和生物光子学应用探索

近红外生物窗口光源激发的多光子微纳激光器可深入组织内部，解决纳米激光在载体生物光子学应用的技术瓶颈。.本项目采用显微荧光和超快光谱技术，在飞秒时间分辨下，研究多光子激发下，单个半导体纳米结构的激射现象和物理机制，探索其在生物光子学方面的应用。研究内容将包括：(1)优化激发机制，在能量转移参与下，结合典型多光子材料（给体）的有效非线性吸收和典型激光材料（受体）易实现粒子数反转的优点，发展低阈值多光子增益的复合材料，结合合适的微腔设计，降低激发阈值；(2)探求多色激射，设计并实现单波长激发多波长发射的频率上转换微纳激光；(3)生物功能化，修饰微纳结构表面，设计并测试基于多光子微纳激光器的分子标定和生物传感应用的原型器件。本项目以物理机制为出发点，设计低阈值，长寿命，可应用于生物光子学的新型多光子激发的微纳激光器。

本项目利用超快光谱和非线性光谱学技术，借助超快能量转移实现低阈值的上转换激光，探索新的双光子荧光机制，并将相应的方法应用到白光发光二极管以及生物传感器等技术中。半导体给受体之间的超快能量转移可结合两类材料的优点，有效避免劣势，实现特定的光电器件功能。利用这一理念，我们实现了低阈值双光子激光器，高效白光转换方案，以及溶解氧传感器等。(1)近红外激发的双光子激光器可以在生物光学窗口工作，然而受制于阈值极高，其应用价值大打折扣，本项目结合高效双光子吸收给体和易粒子数反转受体形成的复合材料，实现了双光子激发阈值一个能级以上的降低，并结合分布反馈结构，实现了低阈值的双光子激光器；(2) 半导体量子点颜色可调，荧光效率高，一直被期待用作固态照明中，然后受制于电注入效率低，迟迟未能真正实际应用，本项目结合铟镓氮纳米棒和半导体量子点之间的能量耦合，通过能量转移，避免了传统白光转换中的一些中间过程，极大的提高了有效的下转换效率；(3)通过国际合作，将我们提出的量子点和氧敏感染料结合，实现了溶解氧的比例荧光测量，并成功的应用于神经元切片中检测癫痫症发作时候氧代谢的测量。