Purely equatorial lasing in spherical liquid crystal polymer microlasers with bipolar refractive index profile

Stellen Sie sich eine winzige, perfekte Kugel vor, die in einem Wassertropfen schwebt. In dieser Kugel kann Licht an der Innenwand hin und her springen und wie ein Läufer auf einer Laufbahn endlos kreisen. Dieses Phänomen, bekannt als Whispering-Gallery-Mode, ermöglicht es der Kugel, als Laser zu fungieren, der einen sehr reinen, scharfen Lichtstrahl aussendet. Wissenschaftler nutzen diese mikroskopischen Laser schon lange, um Veränderungen in ihrer Umgebung zu erfassen, wie etwa das Vorhandensein eines spezifischen Proteins oder eine Verschiebung der Temperatur. Doch es gibt einen Haken: Da die Kugel perfekt rund ist, kann das Licht in jede beliebige Richtung kreisen. Wenn man einen Laser auf sie richtet, um sie zum Leuchten zu bringen, könnte das Licht einen Pfad wählen, der über die Oberseite führt, oder um die Seite herum, oder irgendwo dazwischen. Dies macht es schwierig vorherzusagen, wo genau sich das Licht befinden wird, oder den Laser für präzise Messungen in einer komplexen, beweglichen Umgebung wie einer lebenden Zelle einzusetzen.

Forscher der Universität zu Köln haben dieses Problem nun gelöst, indem sie einen neuen Typ von sphärischem Mikrolaser entwickelt haben, der das Licht dazu zwingt, nur an einem ganz bestimmten Ort zu wandern: am Äquator. Durch die gezielte Gestaltung der internen Struktur des Materials innerhalb der Kugel haben sie das Laserlicht in eine einzige, flache Ebene gefangen. Dieser Durchbruch bedeutet, dass das Laserlicht immer in diesem festen Äquatorialband bleiben wird, aber nur, wenn die Kugel korrekt in Bezug auf den Pumplaser ausgerichtet ist. Konkret tritt das Lasern am effizientesten auf, wenn der Pumplaser senkrecht zur internen bipolaren Achse der Kugel trifft; wenn der Strahl auf die Pole trifft oder mit der bipolaren Achse fluchtet, wird kein Laserlicht erzeugt. Diese Entdeckung ebnet den Weg, diese winzigen Laser als zuverlässige, lokalisierte Sensoren in biologischen Systemen einzusetzen, in denen es genauso wichtig ist, genau zu wissen, wo sich das Licht befindet, wie das Licht selbst.

Das Team erreichte dies, indem sie ihre Mikrolaser aus einem Flüssigkristallpolymer aufbauten, einem Material, das die flüssigkeitsähnliche Ordnung von Flüssigkristallen mit der festen Stabilität eines Kunststoffs kombiniert. Sie begannen mit einer Mischung aus Flüssigkristallmolekülen und einem speziellen Farbstoff, der die Energie für das Lasern liefert. Mithilfe eines mikrofluidischen Geräts bildeten sie winzige Tröpfchen dieser Mischung, die etwa 25 bis 30 Mikrometer im Durchmesser groß waren. Während das Lösungsmittel verdampfte, schrumpften die Tröpfchen auf etwa 9 oder 10 Mikrometer zusammen. Während dieses Schrumpfungsprozesses ordneten sich die Flüssigkristallmoleküle im Inneren ganz natürlich in einem bipolaren Muster an, wobei die Moleküle von einem Pol der Kugel zum anderen zeigen, ähnlich wie die Magnetfeldlinien eines Planeten. Sobald diese Ausrichtung festgelegt war, verwendeten die Forscher ultraviolettes Licht, um die Tröpfchen in feste Polymerperlen auszuhärten und die molekulare Anordnung für immer einzufrieren.

Diese interne Anordnung ist der Schlüssel zu dem neuen Verhalten. In einer normalen Kugel sieht das Material in jede Richtung gleich aus. In diesen neuen Perlen sieht das Material jedoch unterschiedlich aus, je nachdem, aus welcher Richtung man blickt. Die Moleküle sind entlang der Linien ausgerichtet, die von Pol zu Pol verlaufen, wodurch in dieser Richtung ein hoher Brechungsindex und in der senkrechten Richtung ein niedrigerer entsteht. Als die Forscher ihre Perlen testeten, stellten sie fest, dass das Licht nur lasern konnte, wenn die Kugel seitlich ausgerichtet war, sodass das Licht entlang des Äquators wandert, wo die Lichtwellen parallel zur Oberfläche oszillieren. Wenn sie versuchten, den Laser von oben oder unten zu pumpen, oder wenn die Perle so orientiert war, dass der Strahl auf die Pole traf, wurde kein Laserlicht erzeugt, sondern nur ein schwaches Leuchten. Das Licht konnte einfach keinen Pfad finden, der funktionierte, wenn es versuchte, über die Pole zu gehen.

Die Forscher bestätigten dieses Verhalten, indem sie die Perlen unter einem Mikroskop platzierten und beobachteten, wie sie rollten. Bei der Betrachtung von der Seite zeigten die Perlen ein ringförmiges Muster, was auf die equatoriale Ausrichtung hindeutete. Bei der Betrachtung von oben zeigten sie ein kreuzförmiges Muster. Durch das Scannen der Perlen mit einem fokussierten Laserstrahl kartierten sie genau, wo das Licht austritt. Sie entdeckten, dass das Laserlicht bei seitlich ausgerichteten Perlen nur als zwei helle Punkte auf gegenüberliegenden Seiten des Äquators erschien. Für Perlen, deren Pole zur Kamera gerichtet waren, gab es überhaupt kein Laserlicht, selbst als die Forscher viel mehr Energie aufwendeten, um es zu erzwingen. Dies bewies, dass der Laser streng auf die Äquatorebene beschränkt ist, aber nur, wenn die Kugel korrekt orientiert ist.

Eine weitere faszinierende Entdeckung war, dass das Laserlicht nicht in einer einzigen, soliden Farbe austrat. Stattdessen spaltete sich die Hauptlaserlinie in mehrere deutlich voneinander getrennte, eng beieinander liegende Linien auf, ähnlich wie ein Prisma weißes Licht in einen Regenbogen zerlegt, aber mit viel feineren Details. Die Forscher fanden heraus, dass diese gespaltenen Linien verschiedenen Pfaden entsprachen, die das Licht um den Äquator nehmen konnte. Da die interne Struktur der Perle nicht in jeder Richtung perfekt gleichmäßig ist, erfährt das Licht, das in leicht unterschiedlichen Richtungen wandert, leicht unterschiedliche optische Eigenschaften. Dies führt dazu, dass sich die Energie des Lichts in separate Submodi aufspaltet. Die Forscher nutzten Computermodelle, um zu zeigen, dass dieser Aufspaltungsprozess geschieht, weil die Lichtwellen mit der spezifischen Ausrichtung der Moleküle innerhalb der Perle interagieren. Sie fanden auch heraus, dass die Menge der Aufspaltung davon abhing, wie perfekt die Moleküle ausgerichtet waren; als sie Perlen aus einem anderen, weniger stabilen Flüssigkristall testeten, war die Aufspaltung größer, was darauf hindeutete, dass die Ausrichtung in ihren Polymerperlen zwar sehr gut, aber nicht perfekt war.

Besonders wichtig für zukünftige Anwendungen war, dass die Forscher testeten, ob diese neuen Polymerperlen sicher für die Verwendung mit lebenden Zellen sind. Sie platzierten die Perlen in eine Kultur von Fibroblastenzellen, einer häufigen Art von tierischen Zellen. Nach zwei Tagen waren die Zellen gesund und die Perlen blieben intakt und fluoreszierend. Im Gegensatz dazu stellten sie herkömmliche Flüssigkristalltröpfchen in dieselbe Kultur, woraufhin die Tröpfchen innerhalb eines Tages auflösten und fast alle Zellen töteten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Forscher durch das Einschließen der Flüssigkristallmoleküle in ein festes Polymer die Toxizität entfernt haben, die normalerweise die Verwendung dieser Materialien in der Biologie verhindert.

Die Fähigkeit, das Laserlicht in eine einzige, vorhersehbare Ebene einzugrenzen, bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen sphärischen Mikrolasern, vorausgesetzt, die Orientierung wird kontrolliert. In früheren Systemen konnte das Licht in jeder beliebigen Ebene kreisen, was es schwierig machte, die Position des Sensors zu verfolgen oder sicherzustellen, dass er an der richtigen Stelle in einer komplexen Umgebung misst. Mit diesen neuen Äquatoriallasern ist der Messbereich fest definiert und schmal. Dies ermöglicht präzise, lokalisierte Messungen, die nicht vom exakten Winkel abhängen, in dem der Laser gepumpt wird, solange die Kugel seitlich orientiert ist. Die Forscher schlagen vor, dass dies verwendet werden könnte, um spezifische Strukturen innerhalb einer lebenden Zelle zu markieren und zu verfolgen oder um mechanische Kräfte mit hoher Präzision zu messen. Da die Aufspaltung der Lichtlinien empfindlich auf die interne Ordnung der Moleküle reagiert, könnte der Laser auch als Werkzeug dienen, um den physikalischen Zustand des Materials selbst zu messen. Durch die Kombination eines stabilen, ungiftigen Materials mit einem hochgradig vorhersehbaren optischen Verhalten liefert diese Arbeit ein neues Werkzeug, um die mikroskopische Welt mit größerer Klarheit und Zuverlässigkeit als je zuvor zu erforschen.