Bisher wird die Nanostrukturierung von Oberflächen durch chemische Verfahren oder Selbstorganisation in Form von kollektiver Anordnung von Molekülen ermöglicht. Neben dieser kollektiven Organisation werden jedoch die individuelle Manipulation und Selektion immer wichtiger für die Funktionalisierung und Strukturierung von Materie, so dass neue Ansatze gefragt sind. Mit maßgeschneiderten Lichtfeldern entwickeln wir einen neuen Ansatz, der durch ein hohes Maß an Flexibilität Lichtfelder für individuelle Fragestellungen zur Verfügung stellt.
Parallel zu holographischen optischen Pinzetten berechnen wir spezielle, transversal komplexe Lichtmoden, die mit Flüssigkristalldisplays dargestellt werden können. Solche maßgeschneiderten Lichtfelder setzen wir für die optische Manipulation ausgedehnter dreidimensionaler Strukturen ein, da sie sich sowohl durch eine transversale Vielfalt als auch durch definierte Propagationseigenschaften auszeichnen und nicht wie holographisch optische Pinzetten auf diskrete Ebenen beschrankt sind. Unser aktueller Fokus liegt auf Lichtfeldern in elliptischer Geometrie, die durch den zusätzlichen Freiheitsgrad der Elliptizität sowohl eine größere Auswahl an Strahlformen bieten, als auch radiale und kartesische Geometrien mit einschließen.

Nichtbeugende Lichtfelder, deren elliptische Lösungen Mathieu-Strahlen darstellen, sind von besonderer Bedeutung für die mehrdimensionale Mikromanipulation. Sie zeichnen sich durch ihre scheinbar divergenzfreie Propagation aus, die es ermöglicht, ausgedehnte dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Uns ist es in aktuellen Experimenten gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern an der University of Glasgow gelungen, mit Hilfe von Mathieu-Strahlen sphärische und elongierte Mikropartikel dreidimensional anzuordnen. Als besonderes Highlight konnten wir durch die Implementierung von maßgeschneiderten Lichtfeldern in ein stereoskopisches Mikroskop die dreidimensionale Partikelanordnung direkt visualisieren. Die so erzeugten Strukturen versprechen zahlreiche Anwendungen, von denen speziell die Manipulation von funktionalisierten oder geometrisch komplexen Materialien von Bedeutung ist.

Ince-Gauss-Strahlen
Selbstähnliche Lichtfelder sind die zweite Klasse von Lichtfeldern, die sich für die maßgeschneiderte optische Manipulation anbieten. Sie zeigen im Gegensatz zu nichtbeugenden Lichtfeldern Divergenz, wobei ihre transversale Amplituden- und Phasenverteilung allerdings im Fernfeld erhalten bleibt. Ince-Gaus- Strahlen stellen ebenfalls Losungen in elliptischen Koordinaten dar, so dass aufgrund ihrer Modenvielfalt auch hier Mikropartikel in unterschiedlichsten Konfigurationen zwei- und dreidimensional organisiert werden können. Außerdem eignen sie sich zur Untersuchung von Licht-Materie Wechselwirkungen, welche interdisziplinar Beachtung findet. Unsere bisherigen Ergebnisse stoßen auf durchweg positive Resonanz, was die wachsende Gewichtung dieses Themas herausstreicht.


Ince-Gauß-Strahlen – unser neues Konzept der optischen Mikromanipulation



Ansprechpartner: Christina Alpmann


Referenzen:

• Advanced optical trapping by complex beam shaping
  M. Woerdemann, C. Alpmann, M, Esseling, C. Denz
  accepted for publication, published first online as Laser & Photon. Rev., 2013, 1-16 PDF
• Three-dimensional Particle Control by Holographic Optical Tweezers
  M. Woerdemann, C. Alpmann, C. Denz
  in "Optical Imaging and Metrology - Advanced Technologies" (2012)
  Eds. W. Osten, N. Reingand
  Wiley Verlag, ISBN-10: 3-527-41064-3
• Light Fields Can Tailor the Microscopic World
  M. Woerdemann, C. Alpmann, C. Denz
  Opt. Photonik 7, 2012, 47–52 PDF
• Tailored light fields: Nondiffracting and self-similar beams for optical structuring and organization
  C. Alpmann, M. Boguslawski, P. Rose, M. Wördemann, C. Denz
  Proc. SPIE 8274, 2012, 82740R PDF
• Tailored Light Fields: A Novel Approach for Creating Complex Optical Traps
  C. Alpmann, M. Woerdemann and C. Denz
  OPN 22 (Optics in 2011), 2011, 28 PDF
• Optical assembly of micro particles into highly ordered structures using Ince-Gaussian beams
  M. Woerdemann , C. Alpmann, C. Denz
  Appl. Phys. Lett. 98, 2011, 111101 PDF
• Mathieu beams as versatile light moulds for 3D micro particle assemblies
  Christina Alpmann, Mike Woerdemann, Cornelia Denz.
  Optics Express, Vol. 18, 2010, 26084-26091  PDF