Versuch
Info
Unter dem Mikroskop der Optischen Pinzette ist eine Zitterbewegung der 1-3 µm kleinen Quarzglaskugeln zu beobachten, welche auf die Brownsche Bewegung der Wassermoleküle zurückzuführen ist.
Mit dem fokussierten Laserstrahl lassen sich die Glaskügelchen "einfangen", halten und bewegen. Bei diesem Aufbau einer optischen Falle wird nicht der Laserstrahl bewegt, sondern der Probentisch wird unter dem fokussierten Laserstrahl verschoben.
Durchführungsdauer: 10 Minuten
Sicherheitszeichen:
Beschreibung
Es können grundsätzlich nur solche Objekte eingefangen werden, die wenigstens ein Teil des verwendeten Laserlichts transmittieren kann. Bei der Transmission wird der Laserstrahl gebrochen. Er erfährt also eine Richtungsänderung, die mit einer Impulsänderung verbunden ist. Folglich muss zwischen dem Laserlicht und dem Objekt eine Kraft wirken. Diese Kraft weist zwei Komponenten auf: Die Streukraft in Richtung des Laserstrahls und die Gradientenkraft in Richtung des Intensitätsgradienten. Damit die Objekte vom Laser nicht weggestoßen, sondern angezogen werden, muss der Strahl eine Stelle mit maximaler Intensität aufweisen, z.B. ein gaußförmiges Profil.
1997 erhielten Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips den Nobelpreis in Physik für die „Entwicklung von Methoden zum Kühlen und Einfangen von Atomen mit Hilfe von Laserlicht“ und 2018 erhielt Arthur Ashkin den Nobelpreis in Physik für seine Arbeiten um die optische Pinzette und ihre Anwendung auf biologische Systeme.
Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung:
Das Experiment kann nur mit einer frisch präparierten Probe durchgeführt werden, da die Kügelchen nach einer Weile haften. Solange sie beweglich sind, ist auch ihre Zitterbewegung zu beobachten. Außerdem sollten die Kügelchen keine Drift in eine bestimmte Richtung aufweisen. Ursache dafür kann eine Luftblase in der Probe sein.
Der Laserdiodenstrom sollte bei etwa 95 mA liegen.
Der Probenpositioniertisch wird zuerst mit Hilfe der Mikrometerschraube für die z−Richtung so weit wie nötig nach unten gesetzt, damit der Objektträger gefahrlos unter das Objektiv geschoben werden kann. Dann bewegt man den Probenpositioniertisch mit den beiden Motoren lateral, bis sich die Probe mittig unter dem Objektiv befindet. Während der Probenpositioniertisch mit der Mikrometerschraube nun nach oben bewegt wird, ist dabei die ganze Zeit auf das Kamerabild auf dem Monitor zu achten. Nach einer gewissen Strecke ist auf dem Monitor ein Laserspot in Form eines roten verzerrten Punktes zu sehen. Dieser rührt von der Reflexion an der Oberseite des Deckglases her. Bei weiterer Annäherung verschwindet er wieder und nach etwas weniger als einer Umdrehung tritt ein zweiter Laserspot auf, welcher auf die Reflexion an der unteren Seite des Deckglases zurückzuführen ist. Erst beim Auftreten des dritten Spots nach etwas mehr als einer weiteren Umdrehung der Mikrometerschraube fällt der Laserstrahl auf die Probe. Der Probenpositioniertisch sollte keinesfalls zu weit nach oben bewegt werden, da das Deckglas durch Berührung mit dem Objektiv zerstört werden könnte, was dem Objektiv schadet und mit unnötiger Reinigungsarbeit verbunden ist.
Breitere rote Laserreflexe, die sich beim Verstellen der z-Achse (Fokusebene) nicht verändern, kommen vom Strahlteiler und haben nichts mit dem Laserspot der optischen Falle zu tun. Falls man beobachtet, dass die in der Falle gefangenen Teilchen aus der scharf gestellten Ebene herausgezogen werden, dann deutet dies darauf hin, dass die Fokusebenen von Kamera und Laser nicht übereinstimmen.