Fangen absorbierender Tropfen in Luft | Photophorese

Der Effekt der Photophorese tritt bei absorbierenden Medien auf. Anders als bei der optischen Pinzette, bei der ein transparentes Objekt in einem Strahl mit Gauß-förmigem Intensitätsprofile durch Ausbalancieren von Gradienten- und Streukraft „hineingezogen“ wird, erfolgt bei der Photophorese eine dem Lichtfeld entgegengesetzte Bewegung. Der Grund hierfür ist in der deutlich größeren Streukraft zu finden. Befinden sich Absorptionsobjekte im Lichtfeld, resultiert aus der einseitigen Absorption eine inhomogene Erwärmung des Absorptionsobjektes. Die dem Lichtfeld zugewandte Seite erwärmt sich um ein Vielfaches stärker, als die Rückseite, die sich im Schatten befindet. Das führt darüber hinaus dazu, dass die Moleküle auf der dem Licht zugewandten Seite eine höhere Bewegungsenergie besitzen und mit dem Absorptionsobjekt kollidieren. Der daraus resultierende Impulsübertrag auf das Absorptionsobjekt führt letztlich zu dessen Bewegung in Richtung geringerer Lichtintensitäten. Somit bietet der photophoretische Effekt die Möglichkeit, absorbierende Partikel oder in unserem Fall auch Tropfen zu manipulieren. Das in unserer Gruppe realisierte photophoretische Trampolin ist ein eindrucksvolles Beispiel für die Nutzung dieses Effektes für absorbierende Flüssigkeiten in Luft.

Photophoretisches Trampolin

Die Wirkung des photophoretischen Effektes auf feste Absorptionsobjekte wurde bereits eingehend untersucht. Dieses Konzept auf in Luft befindliche absorbierende Tropfen zu übertragen, wurde hingegen erst durch unsere Gruppe realisiert. Im Gegensatz zu festen Absorptionsobjekten treten bei Flüssigkeiten wärmeleitende Effekte sehr viel stärker in Erscheinung. So ruft die Bestrahlung mit intensivem Licht Effekte wie Konvektion oder auch Verdampfen hervor, die für einen Abtransport der eingebrachten Wärmeenergie sorgen. Der photophoretische Effekt ist also bei absorbierenden Flüssigkeiten geringer.

Photophoretisches Trampolin
Photophoretisches Trampolin

Um dennoch eine Interaktion absorbierender Tropfen mit unserer Versuchsanordnung nachweisen zu können, wurde zunächst eine Lichtebene mit geringer Intensität erzeugt. Weiterhin waren wir in der Lage, Tropfen mit definiertem Volumen zu einem von uns bestimmten Zeitpunkt mit Hilfe einer Druckerpatrone auszulösen. Die so erzeugten Tropfen passieren die Lichtebene auf ihrem Weg nach unten, deren Intensität schrittweise erhöht wurde. Ist die Schwellintensität erreicht, interagieren die Tropfen mit der Lichtebene, so dass diese in ihrer Bewegungsrichtung beeinflussbar waren und sogar nach oben beschleunigt wurden. Durch die frei wählbare Neigung der Lichtebene kann das photophoretrische Trampolin zum volumenabhängigen Sortieren von Tropfen angewendet werden.

Der Ansatz des photophoretischen Trampolins lässt sich jedoch auch so erweitern, dass damit absorbierende Tropfen immobilisiert werden können. Dies gelingt über eine geeignete Strahlformung, mit der ein sogenannter „Lichtkäfig“ beziehungsweise „optische Flasche“ (optical bottle beam) erzeugt werden kann. Ein solcher Strahlquerschnitt zeichnet sich dadurch aus, dass dessen innen liegender Bereich mit sehr niedriger Intensität von einem Bereich sehr viel höherer Intensität umgeben ist. Eine derartige Intensitätsverteilung haben wir mit verschiedenen Ansätzen wie zum Beispiel diffraktiv-optische Elementen (diffractive-optical elements – DEO´s) realisiert. Darüber hinaus haben wir eine holografisch optische Pinzette (holographic optical tweezers - HOT), bei der ein räumlicher Lichtmodulator mit einem Computer generierten Hologramm (computer generated hologram - CGH) angesteuert wurde, zur Erzeugung mehrerer optischer Lichtfallen genutzt.