Nouvelle technique évolutive basée sur la gravure pour un réglage précis des lasers à microdisques

Les lasers à micro et nanodisques sont récemment apparus comme des sources optiques et des sondes prometteuses pour diverses applications dans les domaines de la nanophotonique et de la biomédecine. Leur capacité à réaliser une émission laser à une longueur d’onde déterministe et une précision à bande ultra-étroite est essentielle pour plusieurs applications dans les communications photoniques sur puce, la bioimagerie sur puce, la détection biochimique et le traitement de l’information photonique quantique. Cependant, la fabrication à grande échelle de lasers à micro- et nanodisques à longueur d’onde aussi précise reste un défi. Les processus de nanofabrication actuels introduisent un caractère aléatoire dans le diamètre du disque, ce qui rend difficile l’obtention de longueurs d’onde déterministes dans les lots laser.

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de la Harvard Medical School et du Wellman Center for Photomedicine du Massachusetts General Hospital a développé une technique innovante basée sur la gravure photoélectrochimique (PEC) qui facilite le réglage précis de la longueur d’onde laser des lasers à microdisque avec une précision subnanométrique. Leur travail est publié dans la revue Gold Open Access Photonique avancée.

La nouvelle approche permet la fabrication de lots de micro- et nano-lasers avec des longueurs d’onde d’émission précises et prédéterminées. La clé de cette avancée réside dans l’utilisation de la gravure PEC, qui offre un moyen efficace et évolutif d’affiner la longueur d’onde des lasers à microdisques.

Dans leur travail, l’équipe a réussi à obtenir des microdisques de phosphure d’arséniure de gallium et d’indium coiffés de SiO2 sur des structures de piliers en phosphure d’indium. Ensuite, ils ont réglé avec précision les longueurs d’onde laser de ces microdisques sur des valeurs déterministes, en effectuant une gravure photoélectrochimique dans une solution d’acide sulfurique diluée. Ils ont également examiné le mécanisme et la cinétique sous-jacents à la gravure spécifique du PEC. Enfin, ils ont transféré les réseaux de microdisques accordés en longueur d’onde sur un substrat en polydiméthylsiloxane, produisant des particules laser isolées et autonomes avec des longueurs d’onde laser distinctes. Les microdisques résultants présentaient une émission laser avec une bande passante ultra-étroite inférieure à 0,6 nm pour les lasers sur pilier et inférieure à 1,5 nm pour les particules isolées.

Ce résultat ouvre la porte à de nombreuses nouvelles applications nanophotoniques et biomédicales. Par exemple, les lasers à microdisques autonomes peuvent servir de codes-barres optiques physiques pour des échantillons biologiques hétérogènes, permettant ainsi le marquage de types de cellules spécifiques et le ciblage de molécules spécifiques dans des analyses multiplexées.

Le marquage spécifique d’un type cellulaire est actuellement réalisé à l’aide de biomarqueurs conventionnels, tels que des fluorophores organiques, des points quantiques et des billes fluorescentes, qui ont de larges largeurs de raies d’émission. En conséquence, seuls quelques types de cellules spécifiques peuvent être marqués simultanément. En revanche, les lasers à microdisques, avec leur émission de lumière à bande ultra-étroite, permettraient l’identification simultanée d’un plus grand nombre de types de cellules.

En conséquence, l’équipe a testé et démontré avec succès les particules laser à microdisque précisément réglées en tant que biomarqueurs en les utilisant pour marquer les cellules épithéliales MCF10A normales vivantes du sein en culture. Grâce à leur émission à bande passante ultra-étroite, ces lasers peuvent potentiellement révolutionner la biodétection réalisée à l’aide de techniques biomédicales et optiques bien établies, telles que l’imagerie de la dynamique cellulaire, la cytométrie en flux et les analyses multi-omiques.

La technique basée sur la gravure PEC marque une avancée significative dans le domaine des lasers à microdisques. La nature évolutive de la méthode, ainsi que sa précision inférieure au nm, ouvrent de nouvelles possibilités pour la myriade d’applications que ces lasers trouvent dans les dispositifs nanophotoniques et biomédicaux ainsi que dans le code-barres de populations cellulaires spécifiques et de molécules d’analyse.