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Laserlicht Laserlicht aus polymeren Mikrokelchen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

In einem interdisziplinären Projekt ist es Wissenschaftlern des Karlsruher Institut für Technologie (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.

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Aufnahme eines Mikrokelch-Resonators mit dem Rasterelektronenmikroskop (Ausschnitt).
Aufnahme eines Mikrokelch-Resonators mit dem Rasterelektronenmikroskop (Ausschnitt).
( Bild: Institut für Angewandte Physik, AG Kalt )

Karlsruhe – 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.

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), ist es nun gemeinsam 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). Sie besitzen eine extrem glatte Oberfläche und sind dadurch enorm leistungsfähig.

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Laser-Lichtquellen oder empfindliche Detektoren

Die Mikrokelche können als neue 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 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.

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.

Originalpublikationen

[1] Tobias Grossmann, Mario Hauser, Torsten Beck, Cristian Gohn-Kreuz, Matthias Karl, Heinz Kalt, Christoph Vannahme und Timo Mappes, High-Q conical polymeric microcavities, Appl. Phys. Lett. 96, 013303 (2010)

[2] Tobias Grossmann, Simone Schleede, Mario Hauser, Mads Brøkner Christiansen, Christoph Vannahme, Carsten Eschenbaum, Sönke Klinkhammer, Torsten Beck, Jochen Fuchs, G. Ulrich Nienhaus, Uli Lemmer, Anders Kristensen, Timo Mappes und Heinz Kalt. Low-threshold conical microcavity dye lasers, Appl. Phys. Lett. 97, 063304 (2010)

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