Institut für Angewandte Physik, AG KaltAufnahme eines Mikrokelch-Resonators mit dem Rasterelektronenmikroskop.
25.08.2010: In einem interdisziplinären Projekt ist es Wissenschaftlern des
KIT 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 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.
Gemeinsam ist es nun am KIT der Arbeitsgruppe von Professor
Heinz Kalt, Institut für Angewandte Physik (APH) am Center for
Functional Nanostructures (CFN) und der unabhängigen Nachwuchsgruppe
um Dr.-Ing. 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. Diese besitzen eine extrem glatte Oberfläche
und sind dadurch enorm leistungsfähig.
Prinzipiell sind 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 aufwendige chemische oder biologische
Probenaufbereitung auskommen (d.h. es werden keine zusätzlichen
Markierungen wie fluoreszierende Proteine oder Nanopartikel
angeheftet) und dadurch günstiger und schneller als viele etablierte
Verfahren sind.
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). 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.
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.
Orignalveröffentlichungen: Tobias Grossmann et al.; "High-Q conical polymeric microcavities"; Appl. Phys. Lett. 96, 013303 (2010)
Tobias Grossmann et al.; "Low-threshold conical microcavity dye lasers"; Appl. Phys. Lett. 97, 063304 (2010)