Karlsruher Forscher haben einen kuriosen Minilaser gebaut: Das Licht läuft innerhalb des oberen Randes eines nur Mikrometer (Tausendstel Millimeter) großen Kelches. Dort bildet sich eine stehende Welle, die sich zum Laserlicht formiert. ?Das Besondere ist allerdings, dass sich der Resonator sehr billig und in großtechnischen Anwendungen herstellen lässt?, sagt Heinz Kalt vom Institut für Angewandte Physik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Die Qualität des Lasers soll so gut sein, dass sich in Flüssigkeiten einzelne Viren, Bakterien und gar Moleküle nachweisen lassen. Ziel der Forscher ist es, den Laser beispielsweise in miniaturisierte biomedizinische Diagnosegeräte zu integrieren.
Um den Mikrokelch herzustellen beschichten die Forscher ein Siliziumsubstrat mit Plexiglas (PMMA). Anschließend strukturieren sie die rund ein Mikrometer dicke Plexiglasschicht: Auf dem Silizium bleiben runde Kunststoffscheibchen zurück, die später den oberen, lichtleitenden Teil des Kelches bilden. In einem weiteren Schritt unterätzen sie diese Scheibchen, so dass nur noch ein Siliziumsockel übrig bleibt.
Abschließend erwärmen die Wissenschaftler den Kelchrohling: Der Kunststoff wird fast flüssig. ?Da er vorher durch die Materialabscheidung etwas verspannt war, zieht er sich hoch in die Kelchform mit glatten Oberflächen?, erklärt Physiker Heinz Kalt. Durch die glatten Wände hat der Kunststoffkelch eine hohe Reflektivität für darin eingeschlossenen Lichtwellen.
Je nach Prozessführung sieht die Gesamtstruktur wie ein Kelch oder ein Pilz aus. Im Bild eines Rasterelektronenmikroskops erscheinen die im Dutzend produzierten Mikrokelche wie ein künstlerischer Skulpturengarten.
Mit einem sogenannten Pumplaser, etwa einem Diodenlaser, können die Forscher die im Kunststoff eingebetteten roten, grünen oder blauen Farbstoffe anregen: Der Kelch wird mit einer stehenden Wellen selbst zum Laser. Das ist ganz ähnlich einer Flüstergalerie, in der Schallwellen in einem Gebäude kreisen.
In einer Simulation, die der Doktorand Richard Diehl der Karlsruhe School of Optics and Photonics auch auf das Videoportal YouTube eingestellt hat, ist zu sehen, wie über eine sehr nah am Kelch vorbeiführende Glasfaser ein Lichtimpuls in den Kelch gelangt: Die elektromagnetische Welle des Lichts ragt etwas aus dem Lichtleiter heraus und kann in ein Nachbarmedium einkoppeln. Ganz ähnlich ließe sich das im Kelchlaser erzeugt Licht auch aus dem Mikrobauteil herausholen.
Zwei Anwendungen haben Kalt und seine Kollegen im Visier: der Mikrokelch ist eine neue Laserquelle, die günstig und großtechnisch hergestellt werden kann. Außerdem wollen die Forscher die Kelchoberfläche speziell präparieren, um Bakterien, Viren oder gar einzelne Moleküle damit einzufangen. ?Angedockte Eiweiße verändern das Laserlicht?, erklärt Mitarbeiter Tobias Großmann. Bei der hohen Qualität des Laserresonators könnte man theoretisch ein einzelnes Molekül detektieren, meint Kalt.
Weitere Informationen: Arbeitsgruppe von Heinz Kalt, KIT Martin Schäfer (unterstützt durch das Kompetenznetz Optische Technologien in Baden-Württemberg, Photonics BW)
