Forscher stellen Laserphysik auf den Kopf

Darmstädter Forscher haben einen neuen Weg gefunden, mittels Quantenpunktlasern maßgeschneiderte Wellenlängen zu erzeugen und darüber hinaus leichter zwischen zwei Wellenlängen hin- und herzuschalten. Mögliche Anwendungen ergeben sich nach Ansicht der Wissenschaftler in der Biomedizin und Nanochirurgie.

{1r}

In ihrer Studie haben die Physiker der Technischen Universität (TU) Darmstadt einen Effekt gefunden, der die Grundlagen der Halbleiterphysik quasi „auf den Kopf“ stellt: Üblicherweise beginnt die Lasertätigkeit bei Halbleiterlasern auf dem energetisch niedrigsten Zustand. Erst mit wachsendem Pumpstrom setzt auch die Emission von höherenergetischen, das heißt kurzwelligen Photonen ein.

Quantenpunktlaser emittieren kurzwellige Photonen

Die Forscher des Instituts für Angewandte Physik um Professor Wolfgang Elsäßer haben nun die Möglichkeit entdeckt, dass Quantenpunktlaser zunächst kurzwellige Photonen emittieren. „Diese von uns erstmals gefundene umgekehrte Zustandshierarchie erlaubt es, ‚quasi auf Bestellung‘ maßgeschneiderte Wellenlängen in einem für viele Anwendungen interessanten Wellenlängenbereich zu erzeugen. Darüber hinaus erlaubt die Methode, nicht nur einfacher zwischen zwei Wellenlängen hin- und herzuschalten, sondern auch gezielt Effekte des Lasersystems zur Verbesserung von Pulseigenschaften auszunutzen“, erläutert Elsäßer.

Diesem neuen Phänomen auf die Spur kam Stefan Breuer im Rahmen seiner Doktorarbeit innerhalb des EU-Projekts „FAST-DOT“ (Kompakte, ultraschnelle auf neuartigen Quantenpunktstrukturen basierte Laserquellen). Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, kleinere und günstigere Laser zu entwickeln, die in der Biomedizin eingesetzt werden können.

Die Darmstädter Wissenschaftler haben in diesem Verbund die Aufgabe, Quantenpunkt-Halbleiterlaser experimentell zu untersuchen, sodass in Zusammenarbeit mit den anderen Forschern sowie Laserherstellern optimierte Lasereigenschaften erzielt oder sogar gänzlich neue Laserstrukturen realisiert werden. In einem nächsten Schritt wollen die FAST-DOT-Forscher nun die Einsatzmöglichkeiten des leichteren Wechsels zwischen Wellenlängen prüfen.

Laser in der Nanochirurgie

„Die Bedingungen für den Einsatz von Lasern in der Nanochirurgie waren bislang nicht optimal“, erläutert Elsäßer. „Ein Problem war die aufwändige Realisierung mit riesigen Lasern, die quadratmetergroße Lasertische erforderten und durch unzulängliche Energieeffizienz hohe Energiekosten verursachten.“

Anders ist dies bei der jüngsten Generation der extrem effizienten Quantenpunktlasern, die aus nanostrukturierten Halbleitermaterialien hergestellt werden. Die winzigen pyramidenförmigen Gebilde, die so genannten Dots, haben eine Größe von Millionstel Millimetern.

„Diese Winzigkeit der Strukturen hat Einfluss auf das durch sie emittierte Licht, denn Nanostrukturen von exakt definierter Größe ermöglichen die Emission von Licht genau definierter Wellenlänge. Verändert man die Größe und Umgebung der Dots, verändert sich auch die Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts. Damit können Quantenpunktlaser hergestellt werden, die Laserlicht mit genau definierter Wellenlänge für sehr spezifische Anwendungen emittieren“, so Elsäßer.

Viele Anwendungsmöglichkeiten

In der Mikroskopie ermöglichen Quantenpunktlaser das Durchleuchten einer Zelle. Dabei werden nicht nur einzelne Zellstrukturen für das menschliche Auge sichtbar, diese Strukturen sind auch mit hoher Tiefenschärfe zu erkennen. Eine weitere Anwendung ist ein bildgebendes 3D-Verfahren, die so genannte optische Kohärenz-Tomographie. Hiermit werden mittels höchstempfindlicher Messungen von Reflektionen Schichtbilder mit enormer Orts- und Tiefenauflösung gewonnen, was eine nichtinvasive Frühdiagnose ermöglicht.

Augenärzte können so mit Hilfe eines Quantenpunktlasers die Netzhaut in ihrer gesamten Tiefe abtasten, ohne einen Eingriff vornehmen zu müssen. Auch können Hautschichten in ihrer gesamten Ausdehnung analysiert und auf Hautkrebs untersucht werden.

Laser als hochpräzise Skalpelle

Bei Quantenpunktlasern mit höheren Pulsfrequenzen reicht die Energie aus, um die Zelle zu verändern, also zum Beispiel präzise Schnitte mit minimaler Beeinflussung der zellulären Umgebung durchzuführen. „Sie können als hochpräzise Skalpelle eingesetzt werden, mit denen einzelne Zellstrukturen kontrolliert durchtrennt werden können“, sagt Elsäßer.

Außerdem können die Forscher bestimmte Zellorganellen ausschalten oder einzelne Moleküle – zelleigene oder zellfremde – aktivieren. Das eröffnet ungeahnte Möglichkeiten in der Molekülchirurgie, mit der Schnitte durchgeführt werden können, die zweitausend Mal feiner sind als ein Haar. Damit könnten künftig Krebszellen ohne nennenswerte Nebenwirkungen zerstört oder auch Hornhautkorrekturen am Auge durchgeführt werden.

(idw – Technische Universität Darmstadt, 14.04.2010 – DLO)