Ingenieurwissenschaften
Die optische Pinzette:
Laserlicht greift Mikrotröpfchen
Nicht von der „wärmenden Kraft“ des Lichtes ist die Rede, sondern von der Kraftwirkung des Laserstrahls. Ingenieure nutzen diese Eigenschaft, um Mikrotröpfchen festzuhalten, zu bewegen oder mikroskopisch kleine Bauteile zu vermessen.
Dipl. - Ing. Cemal Esen,
Dipl. - Ing. Thomas Kaiser,
Dipl. - Ing. Günther Roll,
Prof. Dr. techn. Gustav Schweiger,
Laseranwendungstechnik und Meßsysteme,
Fakultät für Maschinenbau
Wie sich Mikropartikeln mit Hilfe von Licht frei im Raum festhalten und bewegen lassen, beschreibt der folgende Artikel. Die Methode ermöglicht es, einzelne mikroskopische Tröpfchen unter genau kontrollierbaren Bedingungen zu untersuchen sowie ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen mit der Umgebung zu analysieren. Da Mikrotropfen in der Natur und Technik weitverbreitet sind, ist diese Methode auf verschiedenen Gebieten von Bedeutung. Als Dunst, Nebel oder Aerosol sind Mikropartikel in der Natur häufig anzutreffen und wichtig für das Klima. Kraftstoff wird oft in Form mikroskopisch kleiner Tröpfchen in den Verbrennungsraum von Motoren oder Kraftwerken eingebracht. Aber auch im Haushalt begegnen wir Mikrotropfen, zum Beispiel im Haarspray. In der Medizin werden Mikrotropfen als Inhalationsspray eingesetzt. Ein anderes sich erst entwickelndes Gebiet liegt im Bereich der Mikrooptik und Mikromechanik. Nach dem Siegeszug der Mikroelektronik hat jetzt eine ähnliche Entwicklung auf dem Gebiet der Optik und Mechanik eingesetzt. Die Herstellung, Vermessung und der Zusammenbau von Systemen, die aus mikroskopisch kleinen mechanischen oder optischen Bauteilen bestehen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Auch hier kann Licht mit Erfolg zum Festhalten, Bewegen und Vermessen mechanischer, aber insbesondere optischer Bauteile eingesetzt werden.
Daß Licht Energie transportiert, ist eine Erfahrung des täglichen Lebens. Jeder von uns hat schon die wärmende Wirkung von Sonnenstrahlen erlebt. Weitgehend unbekannt ist aber, daß Licht auch einen Impuls besitzt, daß durch Lichtstrahlen auch Kräfte ausgeübt werden können. Die Physiker beschreiben Licht als elektromagnetische Wellen oder als Strom von Photonen. Die Erklärung der Kraftwirkung von Licht mit Hilfe der Theorie elektromagnetischer Strahlung ist etwas umständlich. Beschreibt man Licht als Strom von Photonen, ist die Kraftwirkung von Licht sehr viel leichter einzusehen. Jedes einzelne dieser Photonen transportiert den Impuls p=h/l, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum (eine Naturkonstante) und l die Wellenlänge des Lichtes bedeutet. Licht kann also auch als ein Strom von Photonen verstanden werden, mit dem ein entsprechender Impuls transportiert wird. Trifft dieser Photonenstrom auf Materie und wird dort absorbiert oder in seiner Richtung geändert, so wird dabei Kraft auf dieses Material ausgeübt. In Abb. 2 ist die Kraftwirkung durch Lichtbrechung und Reflexion auf eine Mikrokugel illustriert. Beim Auftreffen der Lichtstrahlen auf die Kugel werden diese zum Teil reflektiert, zum Teil gebrochen. Der Übersichtlichkeit halber sind die reflektierten Strahlen in Abb. 2 nicht dargestellt. Sowohl mit der Reflexion als auch mit der Brechung ist eine Richtungsänderung verbunden, die eine Kraftwirkung auf die Mikrokugel zur Folge hat. Die entsprechenden Kräfte, die die beiden im Bild eingezeichneten Strahlen auf die Kugel ausüben, sind als rote Pfeile eingezeichnet. Wenn nun der Durchmesser dieses Lichtstrahls etwa von der gleichen Größenordnung wie die Mikrokugel ist, dann ist die Strahlungsflußdichte über dem Querschnitt der Kugel nicht mehr konstant. Die Kraftwirkung Fa des im Bild mit a bezeichneten Strahles auf die Kugel ist größer als die Kraft Fb des Strahles b. Diese Kräfte können in eine Komponente senkrecht zur Strahlachse und eine axiale Kraftkomponente in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls zerlegt werden. Diese Komponenten sind im Bild mit Far und Faz beziehungsweise Fbr und Fbz bezeichnet.
Stabile Position im ‘Spiel der Kräfte’
Faz und Fbz wirken in die gleiche Richtung und addieren sich, Far und Fbr wirken in entgegengesetzte Richtung und subtrahieren sich. Da aber Far größer ist als Fbr wird die Kugel zur Strahlachse gedrückt. Richtet man einen fokussierten Lichtstrahl senkrecht nach oben (Abb.1, unten), so nehmen die auf die Kugel übertragenen Kräfte mit zunehmendem Abstand vom Taillenquerschnitt nach oben ab. Bringt man in einen solchen Lichtstrahl eine Mikrokugel, so nimmt diese eine stabile Position oberhalb des engsten Querschnittes des Laserstrahls ein, dort, wo die Kraft des Laserstrahles gerade die Gewichtskraft der Mikropartikel kompensiert. Selbst bei kleinen Mikropartikeln ist zur Erzeugung einer ausreichenden Kraft ein gut fokussierter Laserstrahl notwendig. Bewegt man diesen Lichtstrahl, so folgt die in diesem Lichtstrahl festgehaltene Mikropartikel. Mit dem Lichtstrahl kann also die Mikropartikel bewegt werden. Man kann auch optische Pinzetten bauen, bei denen eine lotrechte Orientierung des Lichtstrahls nicht mehr notwendig ist.
Auch wenn heute sehr leistungsstarke Laser zur Verfügung stehen, so ist der Einsatz von Licht zum Festhalten von Objekten dennoch nur dort möglich, wo es sich um sehr kleine Objekte, also um Objekte mit sehr geringen Massen handelt. Typische Abmessungen für den Einsatz der optischen Pinzette sind Objekte im Größenbereich von etwa 1-100 mm. Auch nicht kugelförmige Objekte lassen sich mit dieser Technik festhalten und bewegen.
Mit Zehntausendstel-Genauigkeit im Mikrometerbereich
Die folgenden Beispiele beziehen sich aber ausschließlich auf die Untersuchung von kugelförmigen Mikropartikeln. Solche Partikeln sind durchaus keine Rarität in Natur und Technik, denn praktisch alle Flüssigkeiten nehmen als in Gasen verteilte kleine Tropfen nahezu ideale Kugelgestalt an, wenn die Tropfengröße unterhalb von etwa 100 mm liegt. Abb. 1 zeigt eine Meßkammer, in deren Mitte sich eine etwa 20 mm große Mikropartikel befindet. Sie wird von dem von unten eintretenden Laserstrahl festgehalten. Das an der Mikropartikel gestreute Laserlicht erzeugt ein im Hintergrund sichtbares Streifenmuster, das zur Bestimmung der Partikelgröße herangezogen werden kann.
Für das Festhalten von Mikropartikeln mittels Licht sind die optischen Eigenschaften dieser Mikropartikeln von Bedeutung. Dazu gehören vor allem der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient. Solche kugelförmigen Mikropartikeln haben aber auch ganz besondere optische Eigenschaften, die für die Untersuchung von Bedeutung sind. Sie sind ganz ausgezeichnete sogenannte optische Resonatoren. Wenn das Verhältnis von Partikeldurchmesser und Wellenlänge des Lichtes eine ganz bestimmte Größe annimmt, dann entstehen in der Partikel sogenannte Oberflächenwellen, d.h., Lichtstrahlen laufen im Inneren dieser Partikel nahe an der Oberfläche immer im Kreis herum. Sie können sozusagen die Mikropartikel aufgrund von Totalreflexion nicht verlassen. Dies führt dazu, daß die Strahlungsenergie im Resonanzfall in diesen Mikropartikeln sehr hohe Werte annehmen kann. In Abb. 3 ist die Energiedichte in einem Schnitt entlang des Äquators durch eine solche Mikropartikel für den nichtresonanten und den resonanten Fall dargestellt. Im nichtresonanten Fall - dieser ist im oberen Bild dargestellt - erkennt man deutlich die Linsenwirkung einer solchen Mikropartikel. Der Lichtstrahl, der von links auf die Partikel trifft, wird auf ein kleines Gebiet in der Nähe des rechten Randes der Partikel fokussiert. Im unteren Bild ist ein Resonanzfall dargestellt. Deutlich erkennbar sind die hohen Energiedichten in der Nähe der Oberfläche, die durch den umlaufenden Lichtstrahl entstehen. Die Energieverteilung in den Querschnitten wurde in beiden Fällen berechnet. Dieses Resonanzverhalten hat auch Auswirkungen auf das von den Partikeln gestreute Licht. Da im Resonanzfall die Strahlungsenergie im Inneren der Partikel ansteigt, nimmt auch die von der Partikel gestreute Strahlung zu. Dies kann man im Abb. 4 erkennen. Dieses Bild zeigt die gemessene Stärke der Lichtstreuung in Abhängigkeit von der Größe einer Mikropartikel. Man erkennt deutliche Spitzen in der Lichtstreuung.
Resonanz: Wenn das Licht im Mikrotropfen kreist
Diese Spitzen sind auf Resonanzeffekte zurückzuführen. Was nun diese Resonanzeffekte so besonders interessant macht, ist ihre empfindliche Abhängigkeit von der Partikelgröße. Da die Partikelgröße, bei der Resonanz auftritt, sehr genau berechnet werden kann, kann man umgekehrt durch die Messung des Auftretens einer Resonanz die Größe dieser Partikel sehr genau bestimmen.
So erkennt man z.B., daß bei einem Radius von 15,04 mm zwei Resonanzen auftreten. Aus Berechnungen findet man, daß zum Anregen dieser Resonanzen die Partikelgröße sich um Dd = 1,1 nm ändern muß. Der Durchmesser einer Partikel von etwa 15 mm kann also mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer bestimmt werden. Dies bedeutet, der Durchmesser kann mit einer Genauigkeit von etwa 1/10.000 bestimmt werden. Diese Durchmesserbestimmung geschieht völlig berührungslos nur durch Analyse des an der Partikel gestreuten Lichtes. Kleinste Änderungen des Durchmessers, z.B. durch Verdunstung, können damit sehr präzise bestimmt werden. Mit dieser Methode kann man z.B. den Dampfdruck von sehr schwerflüchtigen Ölen bestimmen.
Eine weitere Möglichkeit dieser Technik ist die Bestimmung der Masse einer Mikropartikel. Dazu unterbricht man den Lichtstrahl für kurze Zeit. Die Mikropartikel sinkt aufgrund der Schwerkraft nach unten. Schaltet man den Lichtstrahl rechtzeitig wieder ein, so kann man die Mikropartikel wieder auffangen und an ihren alten Platz zurückbefördern. Die Bewegung dieser Mikrokugel kann meßtechnisch erfaßt werden. Sie wird durch ihre Größe und Masse bestimmt. Genauso wie ein Luftballon sehr viel langsamer zu Boden sinkt als etwa eine gleich große Eisenkugel, sinkt eine leichtere Mikropartikel, also eine Mikrokugel mit geringerer Masse, langsamer nach unten als eine gleich große Mikrokugel mit größerer Masse. Mit Hilfe einer entsprechenden Theorie kann man so aus dem Absinken und dem Aufsteigen der Mikrokugel im wieder eingeschalteten Lichtstrahl die Masse einer solchen Mikrokugel bestimmen.
Nicht nur mechanische Eigenschaften von Mikropartikeln lassen sich untersuchen, sondern auch ihre chemischen Eigenschaften, wie die chemische Zusammensetzung oder chemische Reaktionen. In Abb. 5 ist der dazu eingesetzte Versuchsaufbau skizziert. Man erkennt einen Laserstrahl, der zur Levitation (zum Schweben bringen) der Mikropartikel dient und gleichzeitig zur Beleuchtung dieser Mikropartikel eingesetzt wird. Das an der Partikel gestreute Licht wird mit Hilfe eines Spektrographen analysiert. Ebenfalls in der Skizze dargestellt ist eine Einrichtung, die dafür sorgt, daß diese Mikropartikel, auch wenn sie beispielsweise durch Verdunstung leichter wird, immer an der gleichen Position verbleibt. Dazu wird ihre Position optisch mit Hilfe einer positionsempfindlichen Photodiode (PSD) gemessen und die Leistung des Lasers so geregelt, daß sie ihre Lage nicht ändert.
Zur Messung der chemischen Zusammensetzung setzen wir die sog. Ramanstreuung ein. Bei der Ramanstreuung entstehen im gestreuten Licht charakteristische Spektrallinien, aus denen man die Zusammensetzung der Mikropartikel bestimmen kann. Da dieser Effekt sehr schwach ist, müssen sehr leistungsfähige Nachweismethoden eingesetzt werden. Im Abb. 6 ist das Ramanspektrum zweier Substanzen - von Glyzerin und DOP (Dioktylphthalat), einem organischen Öl - dargestellt. Das untere Bild zeigt die Spektren der beiden Substanzen. Das obere Bild zeigt ein an einer Mikropartikel gemessenes Spektrum. Man erkennt, daß diese Mikropartikel sowohl DOP als auch Glyzerin enthält. Ein anderes Beispiel ist in Abb. 7 dargestellt. Es zeigt das Ramanspektrum einer Mikropartikel aus einem Photopolymer als Funktion der Zeit. Unter Photopolymer versteht man Substanzen, die unter Einfluß von Licht polymerisieren, also aushärten. Den Prozeß der Polymerisation kann man anhand der Veränderung der in Abb. 7 dargestellten Spektren als Funktion der Zeit beobachten und verfolgen.
Die Eigenschaften, insbesondere die Resonanzeigenschaften, solcher Mikropartikeln hängen empfindlich von dem Zustand an der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche ab. Man kann sie daher auch als Mikrosensoren einsetzen. Zur Zeit sind am Lehrstuhl Untersuchungen im Gange mit dem Ziel, diese Eigenschaften zu nutzen, um Mikrosensoren zur Druck-, Temperatur- und Abstandsmessung zu entwickeln. Eine Möglichkeit, den Einfluß auf die Oberfläche zu untersuchen, besteht darin, daß man Nanopartikeln, dies sind Partikel mit Durchmesser zwischen etwa 0,001 und 1mm, an der Oberfläche anlagert. Wie dies geschieht, ist in Abb. 8 skizziert. Man erzeugt eine Wolke von Nanopartikeln - in unserem Fall sind es Latexpartikel mit einem Durchmesser von etwa 0,09 mm gewesen - und deponiert diese Wolke in der Meßkammer unterhalb der Mikrokugel, die man untersuchen möchte. Danach wird die Mikrokugel in die Wolke abgesenkt, in dem der Fokus des Lichtstrahls entsprechend nach unten verschoben wird. Die Mikropartikel taucht in die Wolke der Latexpartikeln ein. Läßt man sie dort eine geeignete Zeit verweilen, so setzen sich an der Oberfläche Nanopartikeln ab. Danach wird die Mikropartikel wieder in ihre Ausgangslage zurückgebracht und die Wirkung der Nanopartikeln auf die Eigenschaften der Mikropartikel können jetzt untersucht werden. Auf diese Weise könnte man auch chemische Reaktionen durch Kontakt mit den Nanopartikeln einleiten und untersuchen. Das attraktive dieser Technik ist, daß man mit kleinsten Stoffmengen auskommt. Beim Arbeiten mit toxischen Materialien wird so beispielsweise das Gefährdungspotential drastisch herabgesetz. Dies gilt auch für chemische Reaktionen
In diesem Artikel wurde die Funktionsweise und die Anwendung der optischen Pinzette zur Untersuchung von Mikropartikeln beschrieben. Mikropartikeln spielen in den verschiedensten Bereichen von Natur und Technik eine Rolle. Sie kommen in der Natur in ungeheuren Mengen in fester und flüssiger Form vor. Natürliche feste Mikropartikeln stammen aus Vulkanausbrüchen, von Waldbränden oder auch aus Wüsten. Flüssige Aerosolpartikeln findet man in Wolken und Nebel. Von Menschen verursachte Aerosole in der Natur stammen vor allem aus Verbrennungsprozessen, aber auch aus metallurgischen Prozessen und vielen anderen technischen Verfahren. Flüssige Mikropartikeln findet man im Haarspray genauso wie bei Einspritzvorgängen in Kolbenmotoren. Ihre Untersuchung ist also in den verschiedensten wissenschaftlichen Gebieten von Bedeutung. Zur Untersuchung dieser Mikropartikeln benötigt man aber eine geeignete experimentelle Technik.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Die optische Pinzette eignet sich ganz ausgezeichnet, um Mikropartikel festzuhalten und unter wohldefinierten Bedingungen ohne Einfluß von Wänden zu analysieren. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften kleinster Stoffmengen können auf diese Weise sorgfältig untersucht werden. Dies kann z.B. von Bedeutung sein, wenn es sich um stark toxische oder sehr teure Substanzen handelt. Aber auch die optischen Eigenschaften, insbesondere die Resonanzeigenschaften, solcher Mikropartikeln geraten zunehmend in das Blickfeld des wissenschaftlichen Interesses. Man verspricht sich von solchen Mikroresonatoren verschiedenste Anwendungen als Schaltelemente in der Photonik.
Optische Manipulationen werden heute auch schon auf anderen Gebieten erfolgreich eingesetzt. Vor allem in der Biologie und Gentechnik haben sich verschiedene Varianten der optischen Pinzette als überaus nützlich erwiesen. Mit Licht können nicht nur kugelförmige Mikrostrukturen, sondern auch anders geformte Bauteile wie Zylinder oder Ringe gehalten und bewegt werden. Die optische Pinzette ist ein leistungsfähiges Greifwerkzeug zum kontaktlosen Festhalten und Bewegen von mikroskopisch kleinen Objekten.