Talk optical trapping_Online

Seminar über Laser und Biomedizinische
Photonik
Optische Falle für metallische Mikropartikel
Simon Scheidiger
IAP Abt. Laser
Gruppe Laser – Material Wechselwirkung
Agenda
 Ausgangslage & Motivation
 Optische Fallen
 Versuchsaufbau
 Experimente & Beobachtungen
 Theoretische Betrachtung (...in Bearbeitung)
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Ausgangslage & Motivation
Studium der Wechselwirkung
Laserstrahl – Metallpartikel
(Ø1...10µm)
Bisherige Arbeiten mit solchen
Metallpartikeln: „Mikrosintern von
Strukturen im µm-Bereich mit
gepulster Laserstrahlung“
Bild IAP: REM-Aufnahme Metallpartikel
(austenitischer CrNiMo-Stahl), 90% Ø≤10µm
•Andere WW mit diesen Metallpartikeln?
•Können einzelne Metallpartikel mit dem Laserstrahl auch eingefangen
werden? Wenn ja, ist präzise Manipulation möglich?
•Eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten?
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Optische Fallen
Historisches
Astrophysik: Kometenschweif zeigt stets weg von der Sonne 
Vermutung von J. Keppler: Druck des Sonnenlichts (1619)
James C. Maxwell zeigt 1873 theoretisch, dass el.magn. Wellen eine
Kraft auf Materie ausüben können
Physikalische „Triebfeder“: Strahlungsdruck – Impulsübertrag von
Photonen
Im Wellenbild
"0 2
1
P = !E +
! B2
2
2 ! µ0
Im Photonenbild
h "!
p=
c
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Optische Fallen
Erste optische Falle
Arthur Ashkin (Bell Labs) gilt als geistiger Vater der optischen Pinzette
>Optische Pinzette (single-beam gradient trap)  3-dimensional / 1 Strahl
1986, Bell Labs: Beschleunigen von Latexkügelchen
1987, Bell Labs: Einfangen lebender biologischer Zellen (3-dim)
Anfänge: nur dielektrische Teilchen
>3-dimensionales Trappen möglich (!)
Optische Kraft eines Laserstrahls
(der Leistung P):
n!P
F = Q!
c
n: Brechungsindex
Q=0: Photonen werden transmittiert
Q=1: Photonen werden absorbiert
Q=2: Photonen werden reflektiert
Quelle: A. Beerlink, J. Malte Slowik, Optische Pinzetten
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Optische Fallen
dielektrische Partikel  metallische Partikel
grundsätzlicher Unterschied zwischen dielektrischen und
metallischen Partikeln !!
Metallische Partikel: starke Reflektion / Absorption  Kräfte in
Bezug auf Strahlachse abstossend Falle instabil oder nicht möglich
Starke Kraftkomponente in Strahlrichtung
Quelle: H. Furukawa et al.: Opt.Lett., Vol.23, No.3
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Optische Fallen
Metallische Partikel: Lösungsansatz I
Mikroskopobjektive mit sehr hoher numerischer Apertur NA
>Öl-/Wasser-Immersionsobjektive mit NA ≥ 1.2 (!!)
Fokuspunkt auf den Grund des Teilchens
2-dimensionales Trappen mit Gauss-Strahlprofil
!
NA = n " sin
2
 grosser Öffnungwinkel α
Quelle: Sh. Sato et al., Opt.Lett., Vol.19,No.22,1807
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Optische Fallen
Metallische Partikel: Lösungsansatz II
Laserstrahl mit Doughnut-Strahlprofil
Teilchen in Strahlmitte  kleinere Kräfte in Strahlrichtung, Falle stabil
Gruppe „Laser-Mat.WW“ baute kommerziellen Nd:YAG-Laser um
>radial-polarisierter Doughnut Strahl, λ=1064nm
>„continuous wave“-Betrieb oder Q-Switch-pulsed (τ=140-150ns, f=1.6 kHz),
Quelle: M. Meier et al.,Proc., IAP, UniBE, 2005
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Versuchsaufbau
Pein
Objektiv
20x
NA=0.40
Paus
"=
Pein
! 0,50
Paus
Quelle: H. Rubinsztein-Dunlop et al., Adv.Quant.Chem., Vol.30, 469, 1998
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Experimente & Beobachtungen
Betriebsmode:
Variante 1
Betriebsmode:
Variante 2
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Experimente & Beobachtungen
Variante 1: Laser in „continuous wave“-Betrieb
Strahlprofil Doughnut, radial pol. Licht
ab Schwellenleistung (150mW) nur thermische Effekte
> Blasenbildung, Strömungen
unterhalb Schwellenleistung: trappen nicht möglich, nur geringe
Kraftwirkung beobachtbar
Einziger „Manipulationseffekt“: Wegschleudern der Teilchen !!
cw Betrieb
Video_CW-Mode
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Experimente & Beobachtungen
Verbesserung
 Wechsel in Q-Switch Betriebsmode
 Vorteile:
>
>
>
>
kleinere mittlere Leistung = geringere Erhitzung des
Dispersionsmediums und der Partikel
System kann sich zwischen den Pulsen abkühlen
sehr hohe el. Felder, auch bei Verwendung eines Objektivs mit kleiner
NA
genügend hohe el.Felder auch ausserhalb des Fokuspunkts
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Experimente & Beobachtungen
Variante 2: radial polarisierter Strahl gepulst
Erste Versuche...
Metallpartikel dispergiert in dest.
Wasser (Petrischale)
kleinste Teilchen schwimmend auf
Oberfläche
Vorteil Objektiv mit kleiner NA
>grosser Arbeitsabstand
>kein flüssiges Immersionsmedium
>direkter Zugang zu Partikeln ohne
Probenpäparation
Video_1
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Experimente & Beobachtungen
Variante 2: radial polarisierter Strahl gepulst
Teilchen dispergiert in dest. Wasser
Probenpräparation mit Objektträgerglas
Vorteile:
>Abschirmung gegen Luftzirkulation
>Kontrolle der Teilchenanzahl möglich
>Probe lange Zeit haltbar
Video_2
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Experimente & Beobachtungen
Variante 2: radial polarisierter Strahl gepulst
Bestimmen der maximalen
Bedingung:
Manipulationsgeschwindigkeit
Burleigh Piezo-Stage
Vmax bis zu 3 mm/s
Fopt ≥ FStokes + FR
Piezo Linearmotor
Video_3
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Experimente & Beobachtungen
Variante 2: azimutal polarisierter Strahl gepulst
Drehen des 2. Faraday-Rotators
Strahlprofil ≈ identisch
Falle nicht stabil  Manipulation
azimutal pol.
der Teilchen kaum möglich,
Teilchen werden aus Falle
geschleudert
radial pol.
Video_4
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Experimente & Beobachtungen
Nebeneffekt: Clusterbildung (Partikelteppich)
Metallpartikel schwimmend auf Wasseroberfläche in Petrischale
Video_7
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Theoretische Betrachtung
in Bearbeitung & Diskussion
...
 Modellrechnung der optischen Falle
>
Berechnung der Kräfte  Verifikation mit Messungen
 Einfluss der Polarisationsrichtung (r oder φ) auf Stabilität der Falle.
Mögliche Ansätze:
>
>
>
Anteile Absorption / Reflektion anders gewichtet  thermische Effekte
unterschiedlicher Drehimpulsübertrag
unterschiedliche Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung
 Physikalische Kräfte bei Clusterbildung Partikelteppich
>
El. Kräfte? Technologische Anwendung?
 Ausblick
>
>
Auch 3-dimensionale Falle möglich? (bisher nur mit dielektrischen
Teilchen oder metallischen Rayleigh-Teilchen, d.h. d/λ<<1)
Mikrosintern einzelner Partikel
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