Entwicklung hochleistungsfähiger Resonatoren gelungen Laserlicht aus Mikrokelchen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Entwicklung hochleistungsfähiger Resonatoren gelungen

Laserlicht aus Mikrokelchen

Aufnahme eines Mikrokelch-Resonators mit dem Rasterelektronenmikroskop. © Institut für Angewandte Physik, AG Kalt

Wissenschaftlern ist es gelungen, eine neue Erscheinungsform von optischen Resonatoren zu schaffen: Mikrokelche. Diese Polymerstrukturen sind durch ihre Form und ihre glatte Oberfläche besonders effiziente Quellen für Laserlicht. Zudem haben sie das Potenzial kleinste Biomoleküle, Viren oder Gefahrstoffe nachzuweisen.

Optische Mikroresonatoren ermöglichen den Einschluss und die Speicherung von Licht in einem Raum, dessen Größe geringer ist als der Durchmesser eines Haares. Mit ihrer Hilfe lassen sich grundlegende physikalische Effekte auf den Gebieten der Optik und der Quantenphysik untersuchen.

Optische Flüstergalerien

Der Lichteinschluss in Mikroresonatoren basiert auf dem einfachen Prinzip der Totalreflexion. Licht wird an der Oberfläche des Resonators zurückgeworfen und so im Inneren des Resonators eingeschlossen. Dabei verlaufen die Lichtstrahlen entlang des Randes der Resonatoren und werden dort lange Zeit gespeichert, was zu einer hohen optischen Güte führt – man spricht von hier von optischen Flüstergalerien. Das Prinzip ist vergleichbar mit den Schallwellen, die entlang des Umfanges der Kuppel der St. Paul’s Cathedral in London laufen.

Mikroresonatoren in Kelchform

Gemeinsam ist es nun dem Team von Professor Heinz Kalt, Institut für Angewandte Physik (APH) am Center for Functional Nanostructures (CFN) und der unabhängigen Nachwuchsgruppe um Timo Mappes, Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT), gelungen, neuartige kelchförmige Mikroresonatoren herzustellen. Erreicht wurde dies am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Hilfe eines speziell entwickelten thermischen Aufschmelzverfahrens.

Die Mikrokelche bestehen aus Polymer und haben Durchmesser von 40 Mikrometern – circa ein Drittel eines Haardurchmessers. Diese besitzen eine extrem glatte Oberfläche und sind dadurch enorm leistungsfähig.

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Schema eines Lab-on-Chip-Systems mit Mikrokelch-Laser, der optisch mit einem grünen Laser gepumpt wird (li); Mikrokelch-Resonator als Detektor für Biomoleküle (re). © Institut für Mikrostrukturtechnik, YIG Mappes

Laser-Lichtquellen oder Detektoren

Prinzipiell sind nach Angaben der Wissenschaftler zwei Anwendungen möglich. Die Mikrokelche können als neuartige Laser-Lichtquellen oder aber als extrem empfindliche Detektoren zum markerfreien Nachweis von Biomolekülen oder Gefahrstoffen verwendet werden.

Markerfreie Nachweise sind besonders vorteilhaft, da sie ohne aufwändige chemische oder biologische Probenaufbereitung auskommen – das heißt es werden keine zusätzlichen Markierungen wie fluoreszierende Proteine oder Nanopartikel angeheftet – und dadurch günstiger und schneller als viele etablierte Verfahren sind.

Lichtquelle und Detektor auf einem Chip?

Ziel der Wissenschaftler ist es nun, Lichtquelle und Detektor zusammen hochkompakt auf einem Chip zu integrieren, um für künftige Anwendungen ein so genanntes Lab-on-Chip-System zu bilden. Die hohe Resonatorqualität hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: „Wir können den Laser mit geringer Energiezufuhr betreiben, was die Verwendung von Mikrokelch-Lasern in Bauteilen sehr attraktiv macht“, erklärt der Physiker Tobias Großmann, Mitarbeiter beider Arbeitsgruppen am KIT.

Für die Lichtverstärkung bauen die Wissenschaftler organische Farbstoffe in die Polymer-Kelche ein. Durch die Anpassung der Farbstoffkonzentration lässt sich die Emissionswellenlänge der Laser ändern und somit deren Farbe gezielt anpassen.

Mikrokelch-Resonatoren mit enormem Potenzial

Das Potenzial der entwickelten Mikrokelch-Resonatoren für künftige Anwendungen in der Industrie ist enorm. Neben dem hochempfindlichen und markerfreien Nachweis von Molekülen ist der Einsatz der Resonatoren als Filter in der optischen Datenübertragung oder als Quelle zur Erzeugung von nicht-klassischem Licht denkbar – eine Grundlage für künftige Quantencomputer.

Die Forscher am KIT haben die Mikrokelche mit massenproduktionstauglichen Verfahren der Halbleiterindustrie hergestellt. Somit ist der Transfer der Technologie in die Serienfertigung bereits mittelfristig möglich.

(idw – Pressemitteilung Karlsruher Institut, 24.08.2010 – DLO)

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