Ein amerikanisches Team schlägt eine neue Methode zur Abstimmung von Mikroscheibenlasern vor

Ein gemeinsames Forschungsteam der Harvard Medical School (HMS) und des MIT General Hospital gibt an, dass es ihnen gelungen sei, die Leistung eines Mikroscheibenlasers mithilfe der PEC-Ätzmethode zu optimieren und damit eine neue, vielversprechende Quelle für die Nanophotonik und Biomedizin zu schaffen.

(Die Leistung des Mikroscheibenlasers kann durch das PEC-Ätzverfahren angepasst werden)

In den BereichenNanophotonikund Biomedizin, MikrodiskLaserund Nanodisk-Laser sind vielversprechend gewordenLichtquellenund Sonden. In verschiedenen Anwendungen wie der On-Chip-Photonikkommunikation, der On-Chip-Biobildgebung, der biochemischen Sensorik und der Quantenphotonen-Informationsverarbeitung müssen sie eine Laserleistung mit präziser Wellenlänge und ultraschmalbandiger Genauigkeit erreichen. Die Herstellung von Mikro- und Nanodisk-Lasern mit dieser präzisen Wellenlänge in großem Maßstab bleibt jedoch eine Herausforderung. Aktuelle Nanofabrikationsverfahren führen zu einer Zufälligkeit des Scheibendurchmessers, was die Erzielung einer festen Wellenlänge in der Laser-Massenverarbeitung und -produktion erschwert. Nun hat ein Forscherteam der Harvard Medical School und des Wellman Center for the Advancement of the Massachusetts General Hospital (MGA) eine neue Methode entwickelt, um die Laserleistung zu optimieren.Optoelektronische Medizinhat eine innovative optochemische (PEC) Ätztechnik entwickelt, mit der sich die Laserwellenlänge eines Mikroscheibenlasers mit Subnanometergenauigkeit präzise einstellen lässt. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Advanced Photonics veröffentlicht.

Photochemisches Ätzen
Berichten zufolge ermöglicht die neue Methode des Teams die Herstellung von Mikroscheibenlasern und Nanoscheibenlaser-Arrays mit präzisen, vorgegebenen Emissionswellenlängen. Der Schlüssel zu diesem Durchbruch ist der Einsatz von PEC-Ätzen, das eine effiziente und skalierbare Methode zur Feinabstimmung der Wellenlänge eines Mikroscheibenlasers bietet. In den oben genannten Ergebnissen gelang es dem Team, Mikroscheiben aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphatierung herzustellen, die mit Siliciumdioxid auf der Indiumphosphid-Säulenstruktur beschichtet waren. Anschließend stimmten sie die Laserwellenlänge dieser Mikroscheiben durch photochemisches Ätzen in einer verdünnten Schwefelsäurelösung präzise auf einen festgelegten Wert ab.
Sie untersuchten außerdem die Mechanismen und die Dynamik spezifischer photochemischer (PEC) Ätzungen. Schließlich übertrugen sie das wellenlängenabgestimmte Mikrodisk-Array auf ein Polydimethylsiloxan-Substrat, um unabhängige, isolierte Laserpartikel mit unterschiedlichen Laserwellenlängen zu erzeugen. Die resultierende Mikrodisk weist eine ultrabreite Bandbreite der Laseremission auf, wobeiLaserauf der Säule weniger als 0,6 nm und das isolierte Partikel weniger als 1,5 nm.

Die Tür zu biomedizinischen Anwendungen öffnen
Dieses Ergebnis eröffnet zahlreiche neue Anwendungen in der Nanophotonik und Biomedizin. Beispielsweise können eigenständige Mikroscheibenlaser als physiko-optische Barcodes für heterogene biologische Proben dienen und so die Markierung spezifischer Zelltypen und die gezielte Ansteuerung spezifischer Moleküle in Multiplexanalysen ermöglichen. Die zelltypspezifische Markierung erfolgt derzeit mit konventionellen Biomarkern wie organischen Fluorophoren, Quantenpunkten und fluoreszierenden Kügelchen, die über breite Emissionslinien verfügen. Daher können nur wenige spezifische Zelltypen gleichzeitig markiert werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die ultraschmalbandige Lichtemission eines Mikroscheibenlasers die gleichzeitige Identifizierung mehrerer Zelltypen.
Das Team testete und demonstrierte erfolgreich präzise abgestimmte Mikroscheibenlaserpartikel als Biomarker und markierte damit kultivierte normale Brustepithelzellen MCF10A. Dank ihrer ultrabreitbandigen Emission könnten diese Laser die Biosensorik revolutionieren und bewährte biomedizinische und optische Techniken wie zytodynamische Bildgebung, Durchflusszytometrie und Multi-Omics-Analyse nutzen. Die auf PEC-Ätzen basierende Technologie stellt einen entscheidenden Fortschritt im Bereich der Mikroscheibenlaser dar. Die Skalierbarkeit der Methode sowie ihre Subnanometerpräzision eröffnen neue Möglichkeiten für unzählige Laseranwendungen in der Nanophotonik und biomedizinischen Geräten sowie für Barcodes für spezifische Zellpopulationen und analytische Moleküle.