PEC 蚀刻方法为微盘激光制造带来革命性变革

最近，纳米和微盘激光器已成为生物医学和纳米光子学行业不同应用的潜在光源和探针。它们能够以超窄带精度和确定性波长获得激光，这对于片上生物成像、片上光子通信、生化传感和量子光子信息处理等不同应用非常重要。

(a) PDMS 基底上的独立激光颗粒 (LP)。(b) 通过对原始微盘（i）进行 PEC 刻蚀来调整波长，从而获得窄带波长分布（ii-v）。(c) 显示含有 LP 的细胞的光学显微照片。一个 LP（LP1）在 100 分钟时被一个细胞内化，另一个 LP（LP2）在 140 分钟时被另一个细胞内化。图片来源：Sarkar 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056004

然而，大规模制造这种精确波长的纳米和微盘激光器仍然困难重重。现有的纳米制造工艺引入了圆盘直径的随机性，这使得在批量激光器中实现确定波长具有挑战性。

针对这一问题，哈佛大学医学院和麻省总医院韦尔曼光医学中心的一组科学家设计出了一种突破性的基于光电化学（PEC）蚀刻的方法，能够以亚纳米精度精确调节微盘激光器的激光波长。他们的研究成果发表在金牌娱乐开放获取期刊《先进光子学》（Advanced Photonics）上。

这项新技术有助于生产具有预定和精确发射波长的纳米和微激光器批量产品。PEC 刻蚀技术的应用是这一创新的基础，它为细化微盘激光器的波长提供了一种成功且可扩展的方法。

在他们的研究中，研究小组在磷化铟柱结构上有效地实现了二氧化硅封端的磷化铟砷化镓微盘。接下来，通过在稀硫酸溶液中进行光电化学蚀刻，他们将这种微盘的激光波长精确控制到了确定值。

此外，他们还研究了特定光致化学蚀刻的基本动力学和机制。最后，他们将波长调谐微盘阵列移到聚二甲基硅氧烷基底上，产生了具有不同激光波长的独立、孤立的激光粒子。由此产生的微盘显示出超宽激光发射，柱上激光的超宽带宽低于 0.6 nm，而孤立粒子的超宽带宽低于 1.5 nm。

这一发现为多种新的生物医学和纳米光子应用奠定了基础。例如，独立微盘激光器可用作异质生物样本的物理光学条形码，便于在多重检测中标记特定细胞类型和靶向特定分子。

目前，细胞类型特异性标记是利用量子点、有机荧光团和荧光珠等发射线宽较宽的传统生物标记物进行的。因此，只能同时标记几种特定的细胞类型。与此相反，微盘激光器的超窄带光发射有助于同时识别更多类型的细胞。

因此，研究小组利用精确调谐的微盘激光粒子来标记培养中的活体正常乳腺上皮 MCF10A 细胞，从而评估并有效确立了微盘激光粒子作为生物标记物的地位。利用其超窄带宽发射，这些激光器有可能通过流式细胞仪、细胞动态成像和多组学分析等已得到充分证明的光学和生物医学技术的使用，彻底改变生物传感技术。

基于 PEC 刻蚀的方法标志着微盘激光器的重大进展。该技术的可扩展性及其亚纳米精度为激光在生物医学和纳米光子设备中的大量应用以及特定细胞群和检测分子的条形码化带来了新的机遇。

参考资料

Sarkar, D., et al. (2023) Precise photoelectrochemical tuning of semiconductor microdisk lasers. Advanced Photon. https://doi.org/10.1117/1.AP.5.5.056004