In der Literatur ist die optische Pinzette als
”Optical Tweezer“ bekannt. Dabei han-delt es sich um einen stark fokussierten Laserstrahl, der mittels der optischen Kr¨afte in der Lage ist, kleine Objekte dreidimensional zu fixieren. Diese werden in das Maxi-mum des elektromagnetischen Feldes gezogen, da sie einen h¨oheren Brechungsindex als ihre Umgebung aufweisen. Dieses Prinzip ist weit verbreitet, um z.B. in der Biologie Molek¨ule oder in der Physik Partikel von Nano- bis Mikrometergr¨oße zu manipulieren.
F¨ur eine ausf¨uhrliche Beschreibung der optischen Pinzette sei auf die Literatur verwie-sen. Als erster setzte Ashkin [27] einen Optical Tweezer ein, um Kolloide zu levitieren.
Es folgten verschiedene Anwendungen [28, 29, 30] und theoretische Beschreibungen [31, 32, 33, 34] in den letzten 15 Jahren.
Die theoretische Beschreibung des Tweezers h¨angt von der Gr¨oße der manipulierten Ob-jekte d und der Wellenl¨angeλ des Lasers ab. Man unterscheidet den Rayleigh-Bereich
3.3. OPTISCHE PINZETTE 23 (d¿ λ), den Mie-Bereich (d≈ λ) und den Bereich der geometrischen Optik (d Àλ).
In dieser Arbeit wurden ausschließlich Partikel mit einem Durchmesser von 4.5 µm von einem Laser der Wellenl¨ange 514.5 nm manipuliert, so dass die Beschreibung des Tweezers auf die geometrische Optik beschr¨ankt wird.
Im Experiment wurde der Laser durch dasselbe Objektiv, welches zur Beobachtung des Kolloidsystems verwendet wurde, in die Probenebene fokussiert. Um das Prinzip der optischen Pinzette zu verstehen, werden zwei Randstrahlen betrachtet, die durch ih-ren Kreuzungspunkt den Fokus definieih-ren (vergl. Abb. 3.8). Da die Teilchen durch die Wasser/Luft-Grenzfl¨ache eingeschr¨ankt sind und die Brennebene der Beobachtungs-ebene entspricht, kann der Schwerpunkt eines Teilchens nur lateral von der optischen Pinzette abweichen. Angenommen der Fokus liegt neben dem Teilchenschwerpunkt aber noch innerhalb der kolloidalen Kugel. Das Licht wird beim Eintritt in die Kugel und beim Austritt gebrochen. Der ¨ubertragene Impuls bewegt den Schwerpunkt der Kugel in Richtung Tweezerfokus.
Abbildung 3.8: Geometrische Erkl¨arung der optischen Pinzette. (links) Die Rand-strahlen a und b des Lasers werden zweimal von der Kugel gebrochen. Der R¨uckstoß (F =Fa+Fb) bewegt die Kugel in Richtung des Laserfokus (+).(rechts) Die Strahlen a und b werden komplett absorbiert. Der ¨ubertragene Impuls ist immer vom Fokus weg gerichtet.
Die andere Wirkung des Laserlichtes auf das Kolloid entsteht durch Absorption. Abb.
3.8 (rechts) verdeutlicht, dass die Absorption der Randstrahlen immer zu einem Im-puls¨ubertrag f¨uhrt, der die Kugel vom Fokus entfernt. Beide Effekte treten nat¨urlich nicht nur bei den Randstrahlen auf, sondern ¨uber das ganze Strahlprofil. Die latera-len Kr¨afte sind am Rand aber am st¨arksten und sind deshalb zur Veranschaulichung gew¨ahlt worden.
Je nach den optischen Eigenschaften der Partikel (Brechungsindex und Absorptions-koeffizient) und der numerischen Apertur des Objektives dominiert einer der beiden
Effekte das Verhalten der kolloidalen Kugel. Bei den benutzten superparamagnetischen Kolloiden ist dreidimensionales Tweezen prinzipiell nicht m¨oglich, da die Absorption mit anderen Worten der Strahlungsdruck entlang der z-Achse (senkrecht zur Grenz-fl¨ache) viel zu gross ist, um von dem Impuls¨ubertrag durch die Lichtbrechung kompen-siert zu werden. Erst durch die Anwesenheit der Wasser/Luft-Grenzfl¨ache wurde ein zweidimensionales Fixieren der Partikel m¨oglich. Der Strahlungsdruck und das Gewicht der Kugel wurden durch die Oberfl¨achenspannung der Grenzfl¨ache aufgefangen. Der Anteil der Brechung in der Ebene ¨ubertraf den Absorptionsteil, so dass ein laterales Manipulieren der Kolloide m¨oglich war.
Aber auch dieses 2D-Tweezen war nur f¨ur bestimmte Laserleistungen m¨oglich. War die Leistung zu gering, konnte das Teilchen aufgrund seiner thermischen Energie nicht fixiert werden. Bei zu großen Leistungen nahm die Absorption und damit die depo-nierte W¨arme so stark zu, dass die umgebenden Nachbarteilchen beeinflusst wurden.
(vergleiche Doktorarbeit von F. Valmont [35]). Es kam zu lokalen Dichtegradienten und Konvektionen. Durch systematische Versuche konnte die Tweezereffizienz bei ei-ner Leistung von 0.5 mW maximiert werden, ohne dass das umgebende Gitter gest¨ort wurde.
3.3.1 Strahlengang
Der Strahlengang des Tweezers ist im experimentellen Aufbau (Abb. 3.5) dargestellt.
Der Strahl eines Argon-Ionen Lasers 4 wurde mittels desselben Objektivs, das auch f¨ur die Partikelerkennung benutzt wurde, stark fokussiert (Fokusdurchmesser ca. 1-2 µm).
Die Verwendung desselben Objektivs hatte den Vorteil, dass Beobachtungsebene und Tweezerebene immer identisch waren. Der Laser wurde mit einem speziell beschichteten Spiegel in die Objektivapertur eingekoppelt. Der Spiegel reflektierte gr¨unes Licht sehr gut und transmittierte andere Wellenl¨angen mit ¨uber 80% (Transmissionsspektrum siehe Abb. 3.9).
Um den Laserfokus in der Probenebene bewegen zu k¨onnen, wurde ein Galvanome-terscanner in den Strahlengang gestellt. Dieser bestand aus zwei beweglichen Spiegeln, die ¨uber eine PC-Karte galvanisch gesteuert wurden. Damit konnte der Laserstrahl in der Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung beliebig positioniert werden. Zwei Linsen wurden wie ein Teleskop angeordnet, so dass der Strahl mit unterschiedlichen Winkeln in das Objektiv eingekoppelt werden konnte. Dies f¨uhrte zu unterschiedlichen Positionen des Laserfokus in der Probenebene.
4Innova 304,λ=514.5 nm, Apertur 0
3.3. OPTISCHE PINZETTE 25
Abbildung 3.9: Transmission des Bandfilterspiegels, der den Laserstrahl in das Mikro-skopobjektiv einkoppelte, unter 45◦ Einfallswinkel.
3.3.2 Galvanometerscanner
Der Scanner wurde ¨uber die zugeh¨orige Schnittstellenkarte vom Computer gesteuert.
Die Spiegel waren vom Hersteller 5 so geeicht, dass Punkte auf einer virtuellen Ebene senkrecht zur Auskopplungsrichtung des Scanners direkt kartesisch anvisiert wurden.
Um bestimmte Partikel in der Probenebene mit dem Tweezer zu treffen, mussten die Bildschirmkoordinaten in Scannerkoordinaten transformiert werden. Dazu wurde fol-gende Eichung durchgef¨uhrt: Die Mikroskopbeleuchtung wurde ausgeschaltet. So war der Laserfokus der einzige helle Fleck auf dem Kamerabild und konnte wie bei der Partikelerkennung (vergl. Abschnitt 3.2.2) mittels der Blobanalyse vom Hintergrund unterschieden werden. Der Scanner bewegte den Fokus zu zwei Punkten, die sich so-wohl in der x- als auch in der y-Achse stark unterschieden, dann wurden jeweils die Koordinaten berechnet. Daraus liessen sich Offset und Skalierung beider Achsen be-rechnen. Damit war die Kopplung Bildschirm-Scanner vollzogen und ein beliebiger Bildschirmpunkt konnte mit dem Tweezer direkt anvisiert werden.
5SCANLAB GmbH Optical Scanning, Benzstrasse 28, D-82178 Puchheim