Das Laserlicht aus dem Kelch

Karlsruher Wissenschafter schaffen neue optische Resonatoren mit großem Potenzial für künftige Anwendungen

	Aufnahme eines Mikrokelch-Resonators mit dem Rasterelektronenmikroskop.
	Schema eines Lab-on-Chip-Systems mit Mikrokelch-Laser, der optisch mit einem grünen Laser gepumpt wird (links). Rechts:  Mikrokelch-Resonator als Detektor für Biomoleküle.

Karlsruhe - Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es gelungen, eine neue Erscheinungsform von Laserlicht-Quellen zu erschaffen: Mikrokelche. Diese optischen Resonatoren sind Polymerstrukturen, die durch ihre Form und ihre glatte Oberfläche besonders effizient Laserlicht abgeben können. Zudem haben sie das Potenzial kleinste Bio-Moleküle, 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. 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.

Extrem glatt und leistungsfähig

Gemeinsam ist es nun am KIT der Arbeitsgruppe von 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 mit Hilfe eines speziell entwickelten thermischen Aufschmelzverfahrens. Die Mikrokelche bestehen aus Polymer und haben Durchmesser von 40 Mikrometern (ca. 1/3 eines Haardurchmessers). Diese besitzen eine extrem glatte Oberfläche und sind dadurch enorm leistungsfähig.

Prinzipiell sind zwei Anwendungen möglich. Die Mikrokelche können als neuartige Laserlichtquellen oder aber als extrem empfindliche Detektoren zum markerfreien Nachweis von Biomolekülen oder Gefahrstoffen verwendet werden. Markerfreie Nachweise sind besonders vorteilhaft, da sie ohne aufwendige chemische oder biologische Probenaufbereitung auskommen. Das heißt, es werden keine zusätzlichen Markierungen wie fluoreszierende Proteine oder Nanopartikel angeheftet; dadurch handelte es sich um günstigere und schnellere als viele etablierte Verfahren.

Lab-on-Chip-System

Ziel der Wissenschaftler ist es nun, Lichtquelle und Detektor zusammen hochkompakt auf einem Chip zu integrieren, um für künftige Anwendungen ein sogenanntes 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 und Stipendiat der Karlsruhe School of Optics and Photonics (KSOP).

Grundlage für künftige Quantencomputer

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. (red)