Biologische und lebende Laser erzeugt aus künstlichen und natürlichen Resonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Marcel Schubert
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biomaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266762850

Mehr als 50 Jahre nach ihrer Entwicklung haben sich Laser zu einem unverzichtbaren Werkzeug in Forschung, Industrie und Telekommunikation entwickelt. Neben reinen technischen und optischen Anwendungen gewinnen sie vor allem in Medizin und Biowissenschaften immens an Bedeutung. Die schnell voranschreitende Miniaturisierung der Komponenten lässt hierbei auch Anwendungen mit implantierten Laser-basierten Sensoren und Geräten möglich erscheinen. Dem Entgegen stehen jedoch sowohl die Bauweise als auch die verwendeten Materialen konventioneller Laser, in welchen meist starre, synthetische Optiken mit teils giftigen Verstärker-Medien kombiniert werden. Obwohl diese Eigenschaften direkten Anwendungen in lebenden Organismen offensichtlich widersprechen, hat die Erforschung und Anwendung von biologischen Materialien als Grundlage von Lasern gerade erst begonnen.Einen wegweisenden Schritt weg von konventionellen Bauformen heutiger Laser stellen jüngste Forschungen an biologischen Lasermaterialien dar. Diese belegen, dass auch Moleküle biologischen Ursprungs, wie etwa Vitamine oder Proteine, als effiziente Lasermedien verwendet werden können. Laserlicht konnte zudem selbst in lebenden Zellen und Bakterien erzeugt werden. Des Weiteren ist bekannt, dass die intensive Färbung vieler Lebewesen auf sehr komplexe Strukturen zur Manipulation und Verstärkung von Licht zurückzuführen ist. Diese Strukturen besitzen das Potential zur Entwicklung einer neuen Klasse biologischer Laser.Ein wichtiges Ziel des Antrags stellt die Identifizierung von strukturell gefärbten Spezies mit passenden optischen Eigenschaften dar. Aus diesen sollen dann, auch mit Hilfe weiterer gezielter Optimierungen, funktionsfähige Laser aufgebaut werden, welche ausschließlich aus biologischen Materialen bestehen. Um die allgemeine Anwendbarkeit biologischer Laser zu demonstrieren, soll Laserlicht zudem in verschiedensten Zellen und Organismen erzeugt werden. Hierzu werden neuartige Konzepte entwickelt, welche es ermöglichen die notwendige optische Verstärkung innerhalb von Zellen zu erzeugen. Das wichtigste Ziel des Projektes stellt die Realisierung eines lebenden Lasers dar, welcher Laserlicht völlig unabhängig von externen Resonatorstrukturen erzeugen kann.Die Erreichung dieser anspruchsvollen Ziele soll durch die Umsetzung innovativer und vielfältiger Konzepte sichergestellt werden, welche die Gebiete der Biologie und Photonik auf eine Weise verbinden, wie es bisher noch nicht geschehen ist. Obwohl der Machbarkeitsnachweis oberstes Ziel des Projektes ist, ist zu erwarten, dass die Ergebnisse zahlreiche praktische Anwendungen im Bereich der Sensorik oder der medizinischen Bildgebung finden werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Malte Gather