Спектральный отпечаток лазерного излучения из хвоста павлина: открытие биофотоники

DeFi

Лазеры долгое время остаются символом технологического прогресса, пробиваясь в самые разные отрасли науки и техники. В последние годы все большую популярность набирает направление биолазеров — лазеров, в которых гейн-средой выступают биологические материалы. Особый интерес вызывают случаи, когда в качестве плазменной среды выступают не просто клетки или ткани, но естественные структурированные материалы с уникальными светопоглощающими и светоотражательными свойствами. Одним из таких материалов являются хвостовые перья индийского павлина (Pavo cristatus), в которых природная структура сочетается с резонансными качествами, дающими выход к новым научным открытиям и перспективам. Внимание ученых привлекла способность перьев, пропитанных лазерным красителем родамин 6G, излучать лазерный свет при оптическом возбуждении длиной волны 532 нм.

Подготовка образцов для исследования представляла собой многократное нанесение раствора красителя на глаза павлина с последующим высушиванием. Такая обработка приводила к диффузии красителя и растворителя в структуру бородок перьев, что вызывало изменение микроструктуры кератинового слоя, обеспечивая необходимый рост оптического усиления. При возбуждении лазерным импульсом выявлялся характерный спектральный отклик, содержащий несколько узких линий с постоянными длинами волн, что было фиксировано во всех цветовых зонах очка пера и на разных образцах. Наблюдаемые линии излучения имели порог возбуждения ниже порога случайного лазера, что свидетельствовало о наличии упорядоченного механизма обратной связи внутри микроструктуры перьев, а не о случайном рассеянии света. Такая спектральная избирательность излучения ставит под сомнение классическую гипотезу о случайных лазерах, где конструкция образуется хаотично и резонансные частоты меняются при малейших изменениях условий.

В данном случае наблюдаются стабильные моды, присутствующие в различных цветовых зонах, что указывает на наличие постоянной и регулярной морфологической структуры. Различия во внешнем цвете перьев соответствуют изменению отражательных оптических полос, наблюдаемых в спектрах отражения, однако это не влияет на воспроизводимые линии лазерного излучения, что делает вероятным участие мелкомасштабных мезоструктур, независимых от цветового иризационного эффекта, в формировании резонанса. Высокое разрешение микроскопических снимков показывало неоднородности на кератиновой оболочке бородок, причем в зеленой области она была относительно гладкой, в то время как в коричневой — более грубой и рифленой. Тем не менее лазерные линии одинаково возникали в обеих зонах. Отражательные спектры иллюстрировали присутствие широкополосных пиков в спектрах с центрами в синих, зеленых и желто-красных областях, соответствующих природной оптической иризации.

При этом края отражательных полос характеризовались низкими показателями дисперсии, что, в техническом плане, снижает вероятность эффективной обратной связи лазера с помощью классических фотонных кристаллов, ответственных за окраску. Сами лазерные линии детализировались с помощью многопикового метода Гауссового приближения, позволяющего выделить узкие спектральные пики на фоне широкополосного флуоресцентного свечения родаминового красителя. Линии на 574 нм и 583 нм доминировали в спектре, демонстрируя динамику сужения ширины пика и нелинейный рост интенсивности при увеличении мощности возбуждающего лазерного импульса. Это указывало на мультиорбитальное лазерное излучение с разными порогами и эффективностями усиления для каждой моды. Экспериментальные исследования включали сравнительный анализ этих линий в разных цветовых участках пера — желтом и коричневом.

Было установлено, что эти участки демонстрируют отличающиеся параметры порогов возбуждения и наклонов кривых зависимости интенсивности излучения от мощности лазерного накачивания. Несмотря на схожесть длины волн, различия в порогах и интенсивностях могли быть связаны с локальными особенностями структуры и концентрации красителя в микрообъемах пера. Обсуждение результатов привело к выводу, что лазерное излучение не формируется в результате обратной связи от фотонных кристаллов, ответственных за визуальную окраску пера. Более вероятным механизмом выступают мезомасштабные структуры, скрытые внутри кератинового слоя и связанного с ним краситель-растворителя, выступающие в роли низкокачественных резонаторов с малыми объемами усиления света. Размер этих резонаторов оценивается с учетом интерференционной формулы, и предполагает длины порядка сотен нанометров, что согласуется с известной структурой кератиновых волокон и возможными слоями с разной оптической плотностью.

Против гипотезы лазеров ультрабыстрого типа с круговыми резонаторами (whispering gallery mode - WGM) говорят несоответствия в размерах природного структурного материала и необходимого радиуса микрорезонаторов. Перья не имеют однородных геометрий, необходимых для устойчивого возникновения WGM-лазеров с постоянными модами. Также предположения об образовании слоев с различным индексом преломления в кератине маловероятны из-за отсутствия регулярной слоистой структуры после циклов пропитывания красителем. Интересным выводом стало представление системы как аналога вращающегося колеса рулетки, где результат (лазерные моды) заранее предопределён и стабилен, в отличие от случайного лазера, где спектральные моды возникают непредсказуемо и хаотично. Такая углеродистая стабильность спектральных линий указывает на синхронизацию и совпадение мезоструктурных резонаторов по всей площади пера и между разными образцами.