Theoretische Beschreibung Experimentelle Realisierung Anwendungen. Optische Pinzette. Max Hettrich. 29. Oktober 2007

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1 29. Oktober 2007

2 Inhalt Theoretische Beschreibung 1 Theoretische Beschreibung Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime 2 Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 3

3 Inhalt Theoretische Beschreibung Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime 1 Theoretische Beschreibung Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime 2 Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 3

4 Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime Kraft durch Lichtdruck (Phasengradient) Hamiltonoperator H der WW zwischen Dipol d und Feld E: H = d E( r,t) (1) wirkende Kraft (aus der Heisenberg Bewegungsgleichung): F = d p dt = i [H, p] (2) 3 j=1 d j E j = dn dt k ph (3) Qualitativ: Photonen übertragen Impuls auf Stoßpartner

5 Objekte im Mie - Regime Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime d λ; Strahlenoptische Betrachtung ausreichend Impulsübertrag der Photonen auf das Objekt erzeugt eine resultierende Kraft Photonen werden nicht absorbiert, sondern nur an Grenzflächen reflektiert und gebrochen F = dn dt k ph (4) d

6 Kraft auf ein sphärisches Objekt Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime Brennpunkt über Kugelmittelpunkt Laser wird auf Brennpunkt F im Innern eines sphärischen Objektes fokussiert Strahl wird an Grenzflächen gebrochen Impulsänderung bewirkt Kraft in Richtung des Brennpunktes Kraft Licht F M

7 Kraft auf ein sphärisches Objekt Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime Brennpunkt unter Kugelmittelpunkt Licht trifft auf Objekt Strahl wird an Grenzflächen gebrochen Impulsänderung bewirkt Kraft in Richtung des Brennpunktes Kraft Licht M F analoge Konstruktion für radiale Auslenkung ebenfalls rücktreibende Kraft zum Brennpunkt

8 Kraft auf ein spärisches Objekt Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime Kraft in Abhängigkeit von der Brennpunktposition Kraft eines Strahls auf die Sphäre, alle Brechungen und Reflexionen berücksichtigt: F z F y = n 1P c { } 1 + R cos 2Θ T2 [cos(2θ 2r)+R cos 2Θ] 1+R 2 +2R cos 2r { } R sin2θ T2 [sin(2θ 2r)+R sin2θ] 1+R 2 +2R cos 2r = n 1P c (5) (6) Für die wirkende Gesamtkraft muss über alle Einfallswinkel Θ integriert werden

9 Kraft auf ein sphärisches Objekt Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime Diagramme

10 Kraft durch Intensitätsgradienten Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime d < λ elektrodynamische Beschreibung des Lichtes Kraft des E - Feldes: F = d E Ausdrücken des induzierten Dipolmoments d durch die Polarisierbarkeit α: d = α E (8) F = const I (9) wirkende Kraft auf den Dipol in Richtung des Intensitätsmaximums Stärke der Kraft proportional zum Intensitätsgradienten

11 Inhalt Theoretische Beschreibung Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 1 Theoretische Beschreibung Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime 2 Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 3

12 Erste Experimente Theoretische Beschreibung Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen Problem: Thermische Kräfte normalerweise größer als Lichtkräfte 1970: Zum ersten Mal werden kleine Objekte mit Lichtkräften bewegt[1] 1975: Vorschlag, mit Lichtkräften Gase zu kühlen [2] F v F v

13 Die optische Pinzette Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 1978: Vorschlag, mit einem Laser eine Dipolfalle zu erzeugen[3] stark fokussierter Strahl (TEM 00, single Mode) kleiner Beamwaist großer Intensitätsgradient I große Kraft F ( 10pN) Dämpfung notwendig (optische Melasse, Wasser) F w 0

14 Die optische Pinzette - Schema Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen L 1 L 2 L 3 P Obj. Falle Laser Teleskop (L 1 und L 2 ) weitet Strahl auf L 3 passt Phasenfront an den Objektiveingang an Pinhole P eliminiert Streulicht und reinigt evtl. die Mode Mikroskopobjektiv (Obj.) mit hoher NA erzeugt starken Fokus mit Fallenpotential

15 Die optische Pinzette - Aufbau Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen Aufbau besteht meist aus modifiziertem Mikroskop Laser zusätzlich zum normalen Kondenserlicht Beobachtung des Objekts zusätzlich durch eine Kamera Opt. Pinzette fixiert Objekt,Bewegung der Umgebung durch Bewegung des Probenhalters

16 Die holographische optische Pinzette Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen SLM 0. Ord. L 1 L 2 L 3 P Obj. Falle 1. Ord. Laser Einbringen eines Spatial Light Modulator (SLM) in den Strahlengang Dadurch nahezu beliebige Änderung des Strahlprofils möglich

17 Der Spatial Light Modulator Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen Ein SLM besteht aus einem computergeteuerten Phasengitter Bei Beleuchtung mit kohärentem Licht entsteht ein Hologramm in 1. Beugungsordnung beliebige Phasenfronten möglich Funktionsweise wie LC Display

18 Bilder von Aufbauten Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen

19 Inhalt Theoretische Beschreibung 1 Theoretische Beschreibung Objekte im Mie - Regime Objekte im Rayleigh - Regime 2 Der Weg zur optischen Pinzette Typische Anordnungen 3

20 Verwendung der optischen Pinzette zum Anfassen von biologischen Objekten im µm Bereich Zusätzlich: Optisches Skalpel ; gepulster UV - Laser zum Schneiden von biologischem Material Hohe Präzision und Sterilität

21 im ersten Bild ist ein Chromosom zu sehen (Pfeil), sowie der UV - Laser (Dreieck) im zweiten Bild wurde ein Teil des Chromosoms mit dem UV - Laser abgetrennt Bruchstücke für weitere Experimente nutzbar

22 Erzeugung von Laguerre - Gauß Moden durch SLM Übertrag von Drehimpuls an gefangene Objekte möglich Dadurch Erzeugung von Pumpwirkung in umgebendem Medium Axialer Einschluss nicht automatisch gegeben

23 Schema des Aufbaus

24 Mit gleichem Prinzip auch Größentrennung von Objekten möglich Exzentrische Anordnung von zwei Laguerre - Gauß Moden Kleine Objekte verbleiben immer auf äußerem Ring Große Objekte werden vom Potential des inneren Rings erfasst

25 Licht aus zwei gegenüberliegenden single mode Fasern erzeugt eine optische Falle optische Pinzette wird verwendet, um Objekte zu bewegen Ziel: Untersuchung von Selbstorganisation

26 Schema des Aufbaus

27 falls d > λ: Kugeln bilden axiale Kette und berühren sich falls d < λ: Kugeln bilden axiale Kette mit jeweils konstantem Abstand Grund: Lage der Intensitätsmaxima der beiden gegenläufigen Laserfelder

28 Literatur Theoretische Beschreibung A.Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970) T.W. Hänsch, Opt. Comm. 13, 68 (1975) A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 40, 729 (1978) A.Ashkin et al., Opt. Lett. 11, 288 (1986) A.Ashkin, J.M. Dziedzic, Science 235, 1517 (1987) S. Chu, Science 253, 861 (1991) A.Ashkin, Biophys. J. 61, 569 (1992)

29 Literatur Theoretische Beschreibung W. Singer et al. J. Opt. Soc. Am. B 20, 1568 (2003) A.Jesacher et al. Opt. Ex. 12, 2243 (2004) A. Jesacher et al. Opt. Ex 14, 6342 (2006) Videos von Experimenten mit der Optischen Pinzette: (Division for Biomedical Physics, Universität Innsbruck)