Optische Fallen bieten die einzigartige Möglichkeit, kleinste Partikel, wie etwa lebende Zellen, nur mit Hilfe eines Laserstrahls zu bewegen, so dass mechanischer Kontakt und Kontamination vermieden werden können. Sie sind somit zu einem wichtigen, kommerziell verfügbaren Werkzeug zur Zellmanipulation geworden. Ein wichtiges Forschungsthema in der Biotechnologie ist derzeit die Mikrofluidik. Hier findet die Analyse von biologischen Proben in Kanalstrukturen von nur etwa 100 µm Breite statt, wodurch das Probenvolumen drastisch reduziert werden kann. Durch die Kombination beider Techniken könnten daher attraktive Module zur Partikelanalyse und -selektion geschaffen werden. Klassische optische Fallensysteme beinhalten jedoch große Laserquellen und komplexe optische Aufbauten, was einer Miniaturisierung widerspricht.

Ziel der Arbeit von Frau Kroner war es daher, vertikal emittierende Laserdioden (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) als alternative Laserquellen für die optische Manipulation zu untersuchen. VCSEL bieten gegenüber den typischerweise verwendeten Festkörperlasern die Vorteile äußerst kleiner Abmessungen von wenigen zehn Mikrometern als auch geringer Kosten, die zum Teil deutlich unter einem Euro pro Bauteil liegen. Einzigartig ist auch die einfache Herstellung ein- oder zweidimensionaler Laserarrays, wodurch sich Mehrfachfallen ohne weitere Strahlteilung oder Interferenz erzeugen lassen.

Während in bisherigen Arbeiten zu diesem Thema ausschließlich kommerziell erhältliche VCSEL-Arrays zur Anwendung kamen, wurden innerhalb der vorliegenden Promotion erstmals speziell maßgeschneiderte Laserstrukturen hergestellt. Dies ermöglichte neben mehr konventionellen, makroskopischen Experimenten mit VCSEL-basierten optischen Fallen insbesondere die Untersuchung eines völlig neuen, stark miniaturisierten Konzepts, der so genannten integrierten optischen Falle. Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung dieser Struktur sowie Detailaufnahmen der einzelnen Komponenten. Zunächst wurden dicht gepackte VCSEL-Arrays mit nur 25 µm Bauteilabstand hergestellt. Durch das Aufbringen einer Mikrolinse auf der Ausgangsfacette der Laser wurde ein schwach fokussierter Laserstrahl in der Partikelebene erzeugt. Die Mikroteilchen befinden sich innerhalb eines mikrofluidischen Kanals, der mit Hilfe von Weichlithographie aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt wurde. Halbleiterchip und mikrofluidischer Chip wurden mit Hilfe von Flip-Chip-Bonding verbunden, so dass ein tragbares, potentiell kostengünstiges Modul mit nur wenigen Zentimetern Abmessung entsteht.