Lichtausbreitung in mikroskopischen Systemen
Abb.1: Transversaler Impulsübertrag durch einen fokussierten Laserstrahl auf ein hochbrechendes Partikel. Das von links einfallende Licht wird nach unten abgelenkt. Das Partikel erhält einen entgegengesetzten Impuls hin zur Strahlmitte.
Wird Licht hoher Intensität an Partikeln gestreut, deren charakteristische Größen sich nicht wesentlich von der Lichtwellenlänge unterschieden, können dadurch merkliche Kräfte auf diese Partikel wirken (Abb. 1). Dieser Effekt wird in Werkzeugen wie der optischen Pinzette (Abb. 2) genutzt, um Teilchen mit großer Genauigkeit innerhalb einer flüssigen Probe zu positionieren oder im Inneren von Proben aus anderen Gründen auftrendende Kräfte und Bewegungen zu untersuchen. Der Einsatz von Licht als Manipulationswerkzeug erlaubt dabei sowohl exakt dosierte Kraftausübung, als auch berührungs- und zerstörungsarmes Arbeiten an emfpindlichen, zum Beispiel biologischen Proben.
Wir forschen an der Wechselwirkung von Partikeln untereinander in Gegenwart hoher Lichtintensitäten. Das Zusammenspiel zwischen Brechungsindex, Partikelgröße, Lichtwellenlänge und Lichtrichtung ruft eine Fülle von Phänomenen hervor. Beispielsweise können dielektrische Partikel, die einen höheren Brechungsindex aufweisen als ihre Umgebung, einfallendes Licht effektiv bündeln und damit wieder als einfache optische Pinzette wirken (Abb. 3).
Abb.2: Laboraufbau optische (Zweistrahl-) Pinzette. Der Strahl eines Farbstofflasers wird räumlich gefiltert und mit Hilfe eines Teleskops in Divergenz, Winkel und Durchmesser gesteuert. Nach Durchlaufen eines Mikroskopobjektivs entsteht in der Probenkammer am gewünschten Ort ein sehr scharfer Fokus. Licht aus einem zweiten Laser kann über Glasfasern ebenfalls in die Probenkammer transferiert werden.
Abb.3: Faseroptische Falle. Der mit kleinem Strahldurchmesser aus einer Einmodenglasfaser austretende Laserstrahl hat einen ausreichend hohen Intensitätsgradienten, um Partikel zu zentrieren. Richtet man die Emission aus zwei Fasern aufeinander aus, werden die dem Strahlungsdruck folgenden Teilchen auf der optischen Achse in drei Dimensionen lokalisiert.
Abb.4: Fokussierung von Licht durch Partikel. Hochbrechende Mikrokugeln können als kurzbrennweitige Linsen wirken, soweit wellenoptisch erlaubt, einfallendes Licht stark fokussieren. und wiederum eine optische Pinzette für weitere Partikel induzieren. Gezeigt ist die Intensitätsverteilung um zwei Partikel, das Licht fällt wiederum von links ein (FDTD-Simulation).
Wir können im Labor jeden dieser Parameter in einem weiten Bereich variieren und in der Probenkammer gezielt einzelne oder mehrere Partikel auswählen und interagieren lassen (Abb. 4). Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Medium, in das die Partikel eingebettet werden: aktuell wird ein Experiment aufgebaut, das die Manipulation von kleinsten Partikeln durch eine optische Pinzette im gasförmigen Medium bis hin zum Vakuum ermöglichen soll.
Für unsere Arbeiten kooperieren wir eng mit der Arbeitsgruppe Photonik der Universität Jena. Unsere Arbeiten werden teilweise im Rahmen des Verbundprojektes PEARLS durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Mitarbeiter:
Veröffentlichungen
- M. Horstmann, K. Probst and C. Fallnich, An integrated fiber-based optical trap for single airborne particles, Appl. Phys. B, DOI 10.1007/s00340-010-4339-5 (2010)
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Literatur:
- K. C. Neuman et al. "Optical Trapping", Rev. Sci. Instr. 75(9):2787, 2004
- B. Kemp at al., "Lorentz Force on Dielectric and Magnetic Particles", J. Electromagn. Waves and Appl., 20(6):827-839, 2006
- C. Rockstuhl et al., "Rigorous Diffraction Theory Applied to The Analysis of Optical Force...", J. Optics A: Pure and Appl. Optics, 10(6):921-931, 2004
- S. K. Mohanty et al., "Organization of Microscale objects using a microfabricated optical fiber", Opt. Lett., 33(18):2155, 2008
- T. A. Nieminen et al., "Optical tweezers computational toolbox",Journal of Optics A 9:196, 2007
