Los láseres de micro y nanodiscos han surgido recientemente como fuentes y sondas ópticas prometedoras para diversas aplicaciones en los campos de la nanofotónica y la biomedicina. Su capacidad para lograr láser en una longitud de onda determinista y una precisión de banda ultraestrecha es fundamental para varias aplicaciones en comunicaciones fotónicas en chips, bioimagen en chips, detección bioquímica y procesamiento de información fotónica cuántica. Sin embargo, la fabricación a gran escala de láseres de micro y nanodiscos de longitud de onda tan precisa sigue siendo un desafío. Los procesos de nanofabricación actuales introducen aleatoriedad en el diámetro del disco, lo que dificulta lograr longitudes de onda deterministas en lotes de láser.

Para abordar este problema, un equipo de investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard y el Centro Wellman de Fotomedicina del Hospital General de Massachusetts ha desarrollado una innovadora técnica basada en grabado fotoelectroquímico (PEC) que facilita el ajuste preciso de la longitud de onda de los láseres de microdisco con precisión subnanométrica. Su trabajo está publicado en la revista Gold Open Access. Fotónica avanzada.

El nuevo enfoque permite la fabricación de lotes de micro y nanoláser con longitudes de onda de emisión precisas y predeterminadas. La clave de este avance radica en el uso del grabado PEC, que ofrece una forma eficiente y escalable de ajustar la longitud de onda de los láseres de microdisco.

En su trabajo, el equipo obtuvo con éxito SiO₂-Microdiscos de fosfuro de arseniuro de indio y galio recubiertos sobre estructuras de pilares de fosfuro de indio. Luego, ajustaron con precisión las longitudes de onda láser de estos microdiscos a valores deterministas, realizando un grabado fotoelectroquímico en una solución diluida de ácido sulfúrico. También examinaron el mecanismo y la cinética subyacentes al grabado PEC específico. Finalmente, transfirieron las matrices de microdiscos sintonizadas en longitud de onda a un sustrato de polidimetilsiloxano, produciendo partículas láser aisladas e independientes con distintas longitudes de onda láser. Los microdiscos resultantes mostraron una emisión láser con un ancho de banda ultraestrecho de menos de 0.6 nm para los láseres sobre pilares y de menos de 1.5 nm para las partículas aisladas.

Este resultado abre las puertas a muchas nuevas aplicaciones nanofotónicas y biomédicas. Por ejemplo, los láseres de microdiscos independientes pueden servir como códigos de barras ópticos físicos para muestras biológicas heterogéneas, lo que permite marcar tipos de células específicos y apuntar a moléculas específicas en ensayos multiplexados.

Actualmente, el etiquetado específico de tipo celular se realiza utilizando biomarcadores convencionales, como fluoróforos orgánicos, puntos cuánticos y perlas fluorescentes, que tienen anchos de línea de emisión amplios. Como resultado, sólo se pueden etiquetar simultáneamente unos pocos tipos de células específicas. Por el contrario, los láseres de microdiscos, con su emisión de luz de banda ultraestrecha, permitirían la identificación simultánea de un mayor número de tipos de células.

En consecuencia, el equipo probó y demostró con éxito las partículas láser de microdisco sintonizadas con precisión como biomarcadores utilizándolas para etiquetar células epiteliales de mama MCF10A normales vivas en cultivo. Con su emisión de ancho de banda ultraestrecho, estos láseres pueden revolucionar potencialmente la biodetección realizada utilizando técnicas biomédicas y ópticas bien establecidas, como imágenes de dinámica celular, citometría de flujo y análisis multiómicos.

La técnica basada en grabado PEC marca un avance significativo de los láseres de microdisco. La naturaleza escalable del método, junto con su precisión sub-nm, abre nuevas posibilidades para las innumerables aplicaciones que estos láseres encuentran en dispositivos nanofotónicos y biomédicos, así como en códigos de barras de poblaciones celulares específicas y moléculas de ensayo.

Para obtener más información, lea el artículo Gold Open Access de D. Sarkar et al., "Precise photoelectrochemical tuning of semiconductor microdisk lasers". Adv. Fotón. 5(5), 056004 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.5.056004.