Neue Erkenntnisse zu optischen Pinzetten
Eine neue Vorrichtung zur Manipulation und Bewegung winziger Objekte mit Licht
Wenn man einen Lichtstrahl auf die Hand richtet, spürt man nicht viel, außer ein wenig Wärme, die durch den Strahl erzeugt wird. Wenn Sie das gleiche Licht in eine Welt bringen, die auf der Nano- oder Mikroskala gemessen wird, wird das Licht zu einem leistungsstarken Manipulationswerkzeug, mit dem Sie Objekte bewegen können - sicher im Licht eingeschlossen.
Forscher der Structured Light Group von der School of Physics an der University of the Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika, haben einen Weg gefunden, den Vollstrahl eines Laserlichts zu nutzen, winzige Objekte wie Einzelzellen im menschlichen Körper, winzige Partikel in der Kleinmengenchemie zu steuern und zu manipulieren oder an zukünftigen On-Chip-Geräten zu arbeiten.
Während die spezifische Technik, das so genannte holographische optische Fangen und Pinzetten, nicht neu ist, fanden die Wits-Forscher einen Weg, die volle Kraft des Lichts optimal zu nutzen - einschließlich Vektorlicht, das bisher für diese Anwendung nicht verfügbar war. Dies ist die erste holographische Vektorfalle.
"Früher waren holographische Fallen auf bestimmte Lichtklassen (skalares Licht) beschränkt, so dass es sehr aufregend ist, dass wir ein ganzheitliches Gerät aufdecken können, das alle Lichtklassen abdeckt, einschließlich der Nachbildung aller bisherigen Fangeinrichtungen", Professor Andrew Forbes, Teamleiter der Zusammenarbeit und Distinguished Professor an der School of Physics, wo er das Wits Structured Light Laboratory leitet.
"Was wir getan haben, ist, dass wir das erste vektorielle holographische optische Fang- und Pinzettensystem gezeigt haben. Mit dem Gerät können mikrometergroße Partikel, wie z.B. biologische Zellen, nur mit Licht erfasst und manipuliert werden."
Die letzte Vorrichtung könnte mehrere Partikel auf einmal einfangen und sie nur mit Vektorzuständen des Lichts bewegen. Die Experimente für diese Studie wurden von Nkosi Bhebhe im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt. Die Arbeit wird in der Online-Zeitschrift Nature's, Scientific Reports, veröffentlicht.
In herkömmlichen optischen Fang- und Pinzettensystemen wird das Licht sehr stark auf ein kleines Volumen fokussiert, das kleine Partikel, wie beispielsweise biologische Zellen, enthält. In diesem kleinen Maßstab (typischerweise Mikro- oder Nanometer) sind die Kräfte, die das Licht ausüben kann, beträchtlich, so dass Partikel vom Licht eingeschlossen und dann kontrolliert werden können. Wenn das Licht bewegt wird, bewegen sich die Partikel mit ihm. Diese Idee brachte dem amerikanischen Wissenschaftler Arthur Ashkin den Nobelpreis für Physik 2018 ein. Ursprünglich wurde das Licht mechanisch mit Stufen und Spiegeln gesteuert, aber die Idee wurde später durch eine holographische Bewegung des Lichts verbessert, d.h. durch die Verwendung von computergenerierten Hologrammen zur Steuerung des Lichts ohne bewegliche Teile, wodurch die Partikel gesteuert wurden. Bisher konnten in solchen holographischen Fallen nur spezielle Klassen von Laserstrahlen, die sogenannten Skalarstrahlen, eingesetzt werden.
In ihrem Beitrag mit dem Titel: A vector holographic optical trap zeigten die Wits-Forscher, wie man jedes beliebige Lichtmuster holographisch erzeugt und steuert, und verwendeten dies dann, um ein neues optisches Fang- und Pinzettengerät zu entwickeln.
"Insbesondere konnte das Gerät sowohl mit den traditionellen Laserstrahlen (skalare Strahlen) als auch mit komplexeren Vektorstrahlen arbeiten. Vektorstrahlen sind hochaktuell und haben viele Anwendungen gefunden, aber bisher war keine vektorielle holographische Falle möglich", sagt Forbes.
Die Wits-Forscher demonstrieren ihre neue Falle, indem sie sowohl skalare als auch vektorielle Strahlen im selben Gerät holographisch steuern, den Stand der Technik weiterentwickeln und ein neues Gerät in die Gemeinschaft einführen. Die Gruppe erwartet, dass das neue Gerät für kontrollierte Experimente in der Mikro- und Nanowelt nützlich sein wird, einschließlich Einzelzellstudien in Biologie und Medizin, chemische Reaktionen in kleinen Mengen, Grundlagenphysik und für zukünftige On-Chip-Geräte.
Nachdem die Forschung bereits gezeigt hat, dass es möglich ist, Hunderte von benutzerdefinierten Lichtmustern aus einem Hologramm zu erstellen, vereint sie ihre bisherigen Arbeiten zur holographischen Kontrolle des Lichts mit der Anwendung von optischem Fangen und Pinzetten.
Der Doktorand Nkosi Bhebhe arbeitet an einem Experiment im Structured Light Laboratory der Wits University
Wits University
Wie eine holographische optische Falle funktioniert
In einer herkömmlichen optischen Falle wird das Licht sehr stark fokussiert, so dass es Kräfte auf die Materie ausüben kann. Die Materie, sagen wir ein kleines Teilchen, wird im Licht eingeschlossen. Wenn das Licht durch Spiegel oder mechanische Stufen bewegt wird, bewegt sich das Teilchen mit. Dies wird als optisches Fangen (Erfassen des Partikels) und optisches Pinzettieren bezeichnet, wobei das Partikel wie mit einer Pinzette bewegt wird, in diesem Fall jedoch eine Pinzette aus Licht. Um die Steuerung weniger mechanisch zu machen, verwendeten die Forscher Hologramme, um das Licht zu steuern. Mit räumlichen Lichtmodulatoren könnte man strukturierte Lichtmuster kodieren und diese Muster innerhalb der Falle bewegen, so dass viele Partikel gleichzeitig gefangen und bewegt werden können. Dies eröffnete viele neue spannende Bereiche, aber die endgültigen holographischen optischen Fallen (HOTs) waren auf nur skalare Lichtstrahlen beschränkt, ein winziger Bruchteil dessen, was möglich war. Die andere Klasse der optischen Strahlen, die Vektorzustände, wurden als nicht möglich erachtet, holographisch zu kontrollieren. Mit dem neuen Vektor HOT können nun alle Lichtzustände genutzt werden.
Originalveröffentlichung
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