14.08.2020

Zellsuspensionen im Laserlicht

Neuartiges Laserkonzept soll Verfahren wie die Durchflusszytometrie verbessern.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt gemeinsam mit dem Start-up „Twenty-One Semiconductors GmbH“ (21s) ein Laser­modul, das in der Durch­fluss­zytometrie zum Einsatz kommen soll. Bei diesem spektralen Mess­verfahren, das unter anderem schon lange als Routine­verfahren in der Medizin genutzt wird, werden Zell­suspensionen mit Laserlicht bestrahlt. Das dabei entstehende Streulicht ist bei jedem Zelltyp unterschiedlich und ermöglicht es, die Zellen zu bestimmen und zu zählen. Dafür werden Laser­module mit Zentral­wellenlängen im sichtbaren Spektral­bereich benötigt. Die Nachfrage für solche Module wächst und sie finden breite Anwendung in der Spektroskopie und Fluoreszenz­mikroskopie.

Abb.: Das Fraunhofer IAF und das Start-up Twenty-One Semi­conductors...
Abb.: Das Fraunhofer IAF und das Start-up Twenty-One Semi­conductors entwickeln aus dem Labor­aufbau des MECSEL ein kompaktes Modul für die Industrie. (Bild: A. Ćutuk)

Ein neuartiges Laserkonzept für einen „membrane external-cavity surface-emitting laser“, kurz MECSEL, soll nun die gewünschten Frequenzen im ultra­violetten Bereich effizienter und kompakter erreichen als etablierte Lasermodule. Die Idee für das innovative Laser­konzept stammt von den Gründern von 21s, die mit dem Fraunhofer IAF einen erfahrenen Partner im Bereich der Halb­leiter­laser­technologie gefunden haben, um das laborerprobte Konzept ihres MECSEL für die Industrie zu realisieren. Ziel ist es, gemeinsam ein marktreifes Lasermodul zu entwickeln, das in der Durchflusszytometrie zum Einsatz kommen soll. Das einjährige FMD-Space Projekt ist Anfang des Jahres gestartet und wird von der Forschungs­fabrik Mikro­elektronik Deutschland (FMD) unterstützt und vom Bundes­ministerium für Forschung und Bildung gefördert (BMBF).

Das Herzstück des MECSEL bildet eine hauchdünne Halbleiter-Membran, die vierzig Mal dünner ist als ein menschliches Haar und zwischen zwei Wärme­spreizern aus transparenten Silizium­karbid-Schichten eingebettet ist. Durch die effiziente Wärme­abfuhr kann der Membran-Laser rotes Licht mit hoher Ausgangs­leistung erzeugen, das wiederum mit nur einem Intracavity-Frequenz­verdoppler in Ultra­violett­strahlung konvertiert werden kann. Dadurch bietet das Konzept des MECSEL entscheidende Vorteile und ermöglicht kompaktere und effizientere Laser­bauteile als etablierte Lasermodule, die auf zwei Konversions­stufen angewiesen sind, um die gewünschte Wellenlänge zu erreichen. 

Die Funktionalität des MECSEL konnte in Labor­aufbauten schon bewiesen werden und auch die Hürde, den komplexen Herstellungs­prozess des Halbleiterchips auf ein industrie­taugliches Waferlevel zu skalieren, konnte 21s erfolgreich bewältigen. „Der nächste Schritt ist die Optimierung der Aufbautechnik und der Laser­kavität sowie die Entwicklung eines kompakten und stabilen Lasermoduls. Hier setzen wir auf die Zusammenarbeit mit den Experten am Fraunhofer IAF“, erklärt Norbert Witz, CEO von 21s.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF besitzen langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Halb­leiter­laser­modulen, darunter auch im Bereich der „vertical external-cavity surface-emitting laser“ (VECSEL), eine dem MECSEL sehr ähnliche Laser­technologie. In der Vergangenheit ist es den Freiburgern gelungen, effiziente und kompakte VECSEL-Module mit extrem schmaler Linien­breite von wenigen Kilohertz bei über einem Watt Leistung zu realisieren. „Dieses Wissen, welches wir im Bereich der VECSEL-Technologie erworben haben, gilt es nun auf die innovative Halbleiter-Membran von 21s anzuwenden, um gemeinsam den Membran-Laser aus der Uni-Forschung auf den Laser­markt zu bringen“, erläutert Marcel Rattunde, Projekt­leiter seitens des Fraunhofer IAF. 

Im Rahmen des FMD-Space Projekts wird am Fraunhofer IAF die Aufbau­technik des MECSEL-Chips optimiert sowie eine angepasste Pumpoptik und Laser­kavität designt. Anschließend wird die Technologie in einem stabilen Modul zusammengeführt. In enger Zusammen­arbeit mit 21s entsteht so aus dem Laboraufbau des MECSEL ein kompakter und effizienter Prototyp für die Industrie, der sich für die medizinische Anwendung der Durchfluss­zytometrie eignet. 

Fh.-IAF / DE
 

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