Zupackendes Licht

  • 28. February 2014

Mit Licht lassen sich Partikel kontrollieren und manipulieren. Holographische Entwicklungen machen optische Pinzetten zu erstaunlichen Werkzeugen in der Forschung.

Optische Kräfte sind im Alltag nicht wahrnehmbar, da sie nur einige zehn Piko-Newton betragen. Mit fokussierten Laserstrahlen lassen sich aber mikrometergroße, transparente Teilchen bewegen. Zur Erklärung des Phänomens unterscheidet man hauptsächlich zwei Arten von Kräften.

Zunächst findet ein Impulsübertrag von Licht auf Materie in Richtung der Ausbreitung (Propagation) des Lichts statt. Die daraus resultierende Kraft wird als Streukraft bezeichnet, da sie hauptsächlich durch Streuung des Lichts am Partikel hervorgerufen wird. Sie ist proportional zur Intensität des Lichts und kann Partikel in Richtung der Lichtausbreitung beschleunigen. Durch diese Art von Wechselwirkung entstehen auch Kometenschweife.

Liegt eine inhomogene Lichtverteilung vor, so treten neben der Streukraft an transparenten Partikeln auch sogenannte Gradientenkräfte auf, die proportional zur Änderung der Lichtintensität sind. Hervorgerufen werden sie dadurch, dass das transparente Partikel das Licht entweder beugt oder bricht, wenn das Licht es durchdringt. Dabei ändert es den Impuls des Lichtes. Nach dem dritten Newtonschen Axiom (actio = reactio) erfährt das Partikel ebenfalls eine Richtungsänderung, die der Richtungsänderung des Lichts entgegengesetzt ist. Wird das Licht also zum Beispiel von der Strahlmitte nach außen gebeugt, so bewegt sich das Partikel zur Strahlmitte hin. In einem Laserstrahl mit einem Gaußschem Strahlprofil (Abbildung 1) wirken die Gradientenkräfte also transversal zur Strahlachse hin, da sich dort das Intensitätsmaximum befindet.


Abb. 1 Schematische Darstellung der Kräfte in optischen Pinzetten. 

Wirken die Gradienten- und die Streukraft in einem nicht oder nur leicht fokussierten Laserstrahl auf ein Teilchen, so bewegt es sich zwar transversal zur Strahlmitte hin, wird aber zugleich entlang der Propagationsrichtung des Lichtstrahls beschleunigt. Um ein Partikel in einer optischen Pinzette an einer festen Position zu fangen, braucht man deshalb immer eine Kraft, die dieser Beschleunigung entgegenwirkt. Hierzu wurden im Laufe der Zeit verschiedene Methoden entwickelt. Zunächst wurde die Streukraft durch eine mechanische Barriere, etwa das Ende der Probenkammer, kompensiert. Da das Partikel in diesem Fall optisch nur transversal und damit senkrecht zur Propagationsrichtung des Lichts durch Gradientenkräfte in der Strahlmitte gehalten wird, bezeichnet man diese Konfiguration auch als zweidimensionales (2D) Fangen.


Abb. 2 2D-Fangen: Die blauen Pfeile deuten die Impulsänderung der Photonen, die roten Pfeile die Impulsänderung (Bewegungsrichtung) des Teilchens an.

Alternativ zu einer mechanischen Barriere kann man einen zweiten Laserstrahl verwenden, der in entgegengesetzter Richtung zum ersten Strahl justiert wird. In dieser „gegenläufigen optischen Pinzette“ sorgt die Überlagerung der Streukräfte beider Strahlen für ein Kräftegleichgewicht, das ein Partikel optisch dreidimensional einfängt (3D-Fangen). Diese Konfiguration wird heute in einigen Anwendungen wie glasfaserbasierten Systemen zum Strecken von Zellen (Optical Stretcher) eingesetzt.


Abb. 3 Einstrahl-Gradientenfalle: 3D-Fangen. 

Weit häufiger ist jedoch die Einstrahl-Gradientenfalle, bei der Gradientenkräfte entgegen der Propagationsrichtung des Lichts ausgenutzt werden, um die Streukraft auszugleichen. Die starke Fokussierung des Laserstrahls erzeugt einen Intensitätsgradienten parallel zur Propagationsrichtung des Lichts, so dass hinter dem Fokuspunkt longitudinale Gradientenkräfte auftreten, die der Streukraft entgegen wirken.

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Bauformen für optische Pinzetten. Besonders flexibel ist die holographische optische Pinzette. Bei ihr werden die Fallen durch Hologramme auf einem Flüssigkristalldisplay computergesteuert. Das erlaubt hunderte verschiedene Fallen in der Probe, die einzeln ansteuerbar sind. Derzeit wird an Pinzetten mit noch komplexeren Lichtfeldern geforscht. Die optische Mikromanipulation ermöglicht zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel in der Untersuchung lebender Zellen oder in der Organisation von Materie auf der Nanoskala.

Der vollständige Artikel, in dem Christina Alpmann, Annika Kruse und Cornelia Denz von der Universität Münster detaillierter auf die faszinierende Technik eingehen und Anwendungen beschreiben, ist in der Januar-Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen. Sie finden ihn hier zum freien Download.

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