Mikro- und Nanoscheibenlaser haben sich in letzter Zeit als vielversprechende optische Quellen und Sonden für verschiedene Anwendungen in den Bereichen Nanophotonik und Biomedizin herausgestellt. Ihre Fähigkeit, Laser mit einer deterministischen Wellenlänge und ultraschmalbandiger Präzision zu erreichen, ist für mehrere Anwendungen in der photonischen On-Chip-Kommunikation, der On-Chip-Bioimaging, der biochemischen Sensorik und der quantenphotonischen Informationsverarbeitung von entscheidender Bedeutung. Die großtechnische Herstellung solch präziser Wellenlängen-Mikro- und Nanoscheibenlaser bleibt jedoch eine Herausforderung. Aktuelle Nanofabrikationsprozesse führen zu Zufälligkeiten im Scheibendurchmesser, was es schwierig macht, deterministische Wellenlängen in Laserchargen zu erreichen.
Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forscherteam der Harvard Medical School und des Wellman Center for Photomedicine des Massachusetts General Hospital eine innovative, auf photoelektrochemischem (PEC) Ätzen basierende Technik entwickelt, die eine präzise Abstimmung der Laserwellenlänge von Mikroscheibenlasern mit subnanometrischer Genauigkeit ermöglicht. Ihre Arbeit ist veröffentlicht im Gold Open Access Journal Fortgeschrittene Photonik.
Der neue Ansatz ermöglicht die Herstellung von Mikro- und Nanolaser-Chargen mit präzisen und vorgegebenen Emissionswellenlängen. Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in der Verwendung des PEC-Ätzens, das eine effiziente und skalierbare Möglichkeit zur Feinabstimmung der Wellenlänge von Mikroscheibenlasern bietet.
Im Rahmen ihrer Arbeit gelang es dem Team, SiO2-beschichtete Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid-Mikroscheiben auf Indiumphosphid-Säulenstrukturen zu erhalten. Anschließend stimmten sie die Laserwellenlängen dieser Mikroscheiben präzise auf deterministische Werte ab, indem sie eine photoelektrochemische Ätzung in einer verdünnten Schwefelsäurelösung durchführten. Sie untersuchten auch den Mechanismus und die Kinetik, die der spezifischen PEC-Ätzung zugrunde liegen. Schließlich übertrugen sie die wellenlängenabgestimmten Mikroscheiben-Arrays auf ein Polydimethylsiloxan-Substrat und erzeugten so freistehende, isolierte Laserpartikel mit unterschiedlichen Laserwellenlängen. Die resultierenden Mikroscheiben zeigten eine Laseremission mit einer ultraschmalen Bandbreite von weniger als 0,6 nm für On-Pillar-Laser und unter 1,5 nm für die isolierten Partikel.
Dieses Ergebnis öffnet Türen für viele neue nanophotonische und biomedizinische Anwendungen. Beispielsweise können die freistehenden Mikroscheibenlaser als physische optische Barcodes für heterogene biologische Proben dienen und so die Markierung spezifischer Zelltypen und das Targeting spezifischer Moleküle in Multiplex-Assays ermöglichen.
Die zelltypspezifische Markierung erfolgt derzeit mit herkömmlichen Biomarkern wie organischen Fluorophoren, Quantenpunkten und fluoreszierenden Perlen, die über breite Emissionslinienbreiten verfügen. Dadurch können nur wenige spezifische Zelltypen gleichzeitig markiert werden. Mikroscheibenlaser hingegen würden mit ihrer ultraschmalbandigen Lichtemission die gleichzeitige Identifizierung einer größeren Anzahl von Zelltypen ermöglichen.
Dementsprechend testete das Team die präzise abgestimmten Mikroscheibenlaserpartikel erfolgreich als Biomarker, indem es sie zur Markierung lebender normaler Brustepithel-MCF10A-Zellen in Kultur einsetzte. Mit ihrer Emission mit ultraschmaler Bandbreite können diese Laser möglicherweise die Biosensorik revolutionieren, die mit etablierten biomedizinischen und optischen Techniken wie Zelldynamik-Bildgebung, Durchflusszytometrie und Multi-Omics-Analysen durchgeführt wird.
Die auf PEC-Ätzung basierende Technik stellt einen bedeutenden Fortschritt bei Mikroscheibenlasern dar. Die Skalierbarkeit der Methode und ihre Genauigkeit im Sub-nm-Bereich eröffnen neue Möglichkeiten für die unzähligen Anwendungen, die solche Laser in nanophotonischen und biomedizinischen Geräten sowie bei der Barcode-Kennzeichnung spezifischer Zellpopulationen und Testmoleküle finden.
Mehr Informationen:
Debarghya Sarkar et al., Präzise photoelektrochemische Abstimmung von Halbleiter-Mikroscheibenlasern, Fortgeschrittene Photonik (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.5.056004 ,