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Tragbare optische pinzette
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Inhaltszusammenfassung für THORLABS EDU-OT1

  • Seite 1 EDU-OT1 EDU-OT1/M Tragbare Optische Pinzette Handbuch...

  • Seite 2: Inhaltsverzeichnis

    Tragbare Optische Pinzette Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Warnsymbole ..............3   Kapitel 2 Sicherheitshinweise ............4   Kapitel 3 Einleitung ................5   Kapitel 4 Grundlagen ................ 7   4.1  Dipolansatz im Rayleigh‐Regime  ≪   ...... 7  4.2  Strahlenoptischer Ansatz mit dem Mie‐Regime  ≫  ... 9  Kapitel 5 Lieferumfang ..............
  • Seite 3 Die maximale Haltekraft ............66 Kapitel 8 Didaktischer Kommentar ..........69   Kapitel 9 Bestimmungen ..............79   9.1  Verantwortung für die Müllentsorgung  ......  7 9  9.2  Ökologischer Hintergrund ..........  7 9  Kapitel 10 Thorlabs weltweit ............80   Seite 2 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...

  • Seite 4: Kapitel 1 Warnsymbole

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 1 Warnsymbole Die hier aufgeführten Warnsymbole finden sie eventuell in diesem Handbuch oder auf dem Produkt. Symbol Beschreibung Gleichstrom Wechselstrom Gleich- und Wechselstrom Erdungsanschluss Schutzleiteranschluss Chassisanschluss Potenzialgleichheit An (Versorgung) Aus (Versorgung) Ein-Position Aus-Position Vorsicht: Risiko eines elektrischen Schlages Vorsicht: Heiße Oberfläche Vorsicht: Gefahr Warnung: Laserstrahlung...

  • Seite 5: Kapitel 2 Sicherheitshinweise

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 2 Sicherheitshinweise WARNUNG Die in diesem Produkt enthaltene Laser-Diode der Klasse 3B emittiert eine Leistung von bis zu 42 mW, was ernste Augen-Schäden zur Folge haben kann, wenn man sich dem Laser-Licht aussetzt. Der Laser-Treiber ist mit einem Schlüsselschalter und einer Schaltsperre ausgestattet, welche zur Gefahrenabwehr verwendet werden sollten.

  • Seite 6: Kapitel 3 Einleitung

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 3 Einleitung Allein mit Hilfe von Licht Objekte kontrolliert bewegen zu können hört sich für viele zunächst nach Science Fiction an („Traktorstrahl“). Mit einer optischen Pinzette ist genau dies jedoch möglich. In vielen Forschungs- bereichen werden solche Geräte genutzt, beispielsweise um sehr kleine Kräfte im Bereich von Piconewton zu messen oder kleine Mikromaschinen zu kontrollieren Besonders in der Biologie finden optische Pinzetten große Anwendung, z.B.
  • Seite 7 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 1: Skizze des Strahlengangs in der optischen Pinzette Seite 6 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...

  • Seite 8: Kapitel 4 Grundlagen

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 4 Grundlagen Die Wirkungsweise einer optischen Pinzette zu beschreiben reduziert sich letztlich darauf, folgendes System zu betrachten: Man untersucht die Kraft, die ein fokussierter Laser mit einem Gaußschen Intensitätsprofil (die sog. TEM -Mode) auf ein Objekt ausübt, das sich in der Nähe des oder im Fokus befindet.
  • Seite 9 Tragbare Optische Pinzette Feld des Lasers räumlich näherungsweise konstant erscheint, d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Stärke des elektrischen Feldes für alle Punktdipole des Kügelchens gleich groß. Daraus folgt, dass für alle Punktdipole das induzierte Dipolmoment gleich groß ist. Die aus den induzierten Dipolmomenten entstehende Polarisation ist dann ⋅...

  • Seite 10: Strahlenoptischer Ansatz Mit Dem Mie-Regime

    Tragbare Optische Pinzette Strahlenoptischer Ansatz mit dem Mie-Regime ≫ Der strahlenoptische Ansatz behandelt den zweiten möglichen Grenzfall. Hier nimmt man an, dass der Radius des Kügelchens viel größer als die Wellenlänge des einfallenden Lasers ist. In diesem Bereich sind die Bedingungen der geometrischen (oder auch Strahlen-) Optik erfüllt und man kann den Laserstrahl als ein Strahlenbündel auffassen.
  • Seite 11 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 2: Reflexion und Transmission eines einfallenden Teilstrahls an den Innen- und Außenflächen des Probenkügelchens (aus: A A, s.o.) SHKIN Im Inneren der Kugel wird der Strahl mehrfach reflektiert und transmittiert. Ein Teil des Strahls wird immer wieder an der Kugelinnenwand reflektiert und verbleibt in der Kugel, der Rest gelangt durch Transmission wieder aus der Kugel heraus.
  • Seite 12 Tragbare Optische Pinzette mit dem Gütefaktor sin 2 cos 2 sin 2 (16) cos 2 Dabei ist der Winkel unter dem der erste transmittierte Strahl zum Lot hin gebrochen wird (siehe Abbildung 2). Nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gilt für die Winkel und der Zusammenhang: (17) sind dimensionslose Gütefaktoren, die angeben, welcher Bruchteil des...
  • Seite 13 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 3 zeigt den Verlauf der beiden Faktoren in Abhängigkeit des Einfallswinkels für die Situation, wenn sich der Fokus leicht oberhalb der Kugeloberfläche befindet. Man sieht daran, ist fast über den gesamten Bereich negativ, d.h. die Kraft wirkt in die negative Richtung, in Abbildung 2 also nach oben.

  • Seite 14: Kapitel 5 Lieferumfang

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 5 Lieferumfang Für das metrische Versuchspaket gelten zum Teil andere Artikelnummern als für das zöllige Paket. Wenn die Nummern unterschiedlich sind, dann bezeichnet das „(/M)“ das metrische Teil. So bezeichnet beispielsweise RS3P den Post mit zölligen Gewinden und R3SP/M den Post mit metrischen Gewinden.

  • Seite 15: Laser-Kollimierung

    Tragbare Optische Pinzette Laser-Kollimierung 1 x KC1-T(/M) 1 x E09RMS 1 x A230TM-B Ø1" Spiegelhalter (für RMS auf M9 x 0.5 Asphärische Linse, Käfigsystem) Adapter f = 4.51 mm 1 x SM1A3 Adapter mit externem SM1 Gewinde und internem RMS Gewinde Strahlaufweitung 4 x ER8 Ø6 mm Stangen für...

  • Seite 16: Umlenkspiegel

    Tragbare Optische Pinzette 1 x SM1A6 1 x SM05L03 1 x LA1509-A Ø1/2" Lens Tube, Adapter mit externem Ø1" N-BK7 Plan-konvexe 0.3" lang SM1 Gewinde und Linse, f = 100 mm internem SM05 Gewinde 1 x BA1(/M) Base, 1" x 3" x 3/8" 1 x TR3 (TR75/M) 1 x PH3 (PH75/M) (25 mm x 58 mm x...

  • Seite 17: Probenpositioniertisch

    Tragbare Optische Pinzette Probenpositioniertisch 2 x MT1(/M)-Z8 1 x MT1(/M) Motorisierter Verfahrtisch, Manueller Verfahrtisch, 1/2" (12 mm) Verfahrweg 2 x KDC101 1/2" (13 mm) Verfahrweg K-Cube DC Servomotor Modul 1 x MT402 1 x MT402-SLH-SP Haltewinkel Modifizierter MT402 zum Anbringen des 2 x KPS101 AMA-SLH Spannungsquellen...

  • Seite 18: Mikroskop

    Tragbare Optische Pinzette Mikroskop 3 x C1498(/M) 1 x DCC1645C 2 x SM1T2 Haltearm für Ø1.5" Post Hochauflösende CMOS Ø1" Lens Tube Koppler Kamera 1 x SM1L20 4 x CP02(/M) 1 x CP02T(/M) Ø1" Lens Tube, 2" lang Halterung für Halterung für Käfigsystem Käfigsystem mit SM1 mit SM1 Gewinde,...
  • Seite 19 Tragbare Optische Pinzette 1 x SM1A9 1 x SM1CP2 1 x CCM1-BS013(/M) Adapter mit externem C- SM1 Verschlusskappe 50:50 Strahlteilerwürfel in Mount Gewinde und Halterung internem SM1 Gewinde 4 x ER2 4 x ER3 Ø6 mm Stangen für Ø6 mm Stangen für Käfigsystem, 2"...

  • Seite 20: Weitere Komponenten

    Tragbare Optische Pinzette Weitere Komponenten 1 x RDF1 1 x MB1224 (MB3060/M) 4 x ERSCA 4 Gummifüße Aluminium Lochraster- Ø6 mm Adapter für platte, 12" x 24" x 1/2" Käfigsystem-Stangen (300 mm x 600 mm) 1 x BD-3/16L (BD-5ML) 1 x BBH1 1/4-20 (M6) 1 x CPA1 Tragegriffe (2er Set)
  • Seite 21 Tragbare Optische Pinzette Metrisches Kit: Anzahl Anzahl M6 x 16 mm Schraube M6 Mutter M6 x 20 mm Schraube M4 x 25 mm Madenschraube M6 Unterlegscheiben M4 x 16 mm Madenschraube SD1 M6 zu M4 Adapter M4 x 10 mm Schraube 1/8"...

  • Seite 22: Kapitel 6 Aufbau Und Justierung

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 6 Aufbau und Justierung Aufbau Die Pinzette wird auf einer MB1224 (MB3060/M) Lochrasterplatte aufgebaut. Abbildung 4 zeigt die empfohlenen Positionen der Komponenten an. Bringen Sie die BBH1 Tragegriffe an der Platte an, sodass diese transportabel ist. Schrauben Sie weiterhin die RDF1 Gummifüße mit den Muttern und den 1/4"-20 x 3/4"...

  • Seite 23: Kollimator

    Tragbare Optische Pinzette dem RS3P(/M) beigefügt. Am Lasermount selbst müssen Sie eine 8-32 x 1“ (M4 x 25mm) Madenschraube anbringen, welche dann mit dem Standfuß zu verschrauben ist. Als Nächstes ist der Standfuß mit Hilfe der CF125 Klemme im zugehörigen Loch auf der Lochrasterplatte festzuschrauben.

  • Seite 24: Strahlaufweitung

    Tragbare Optische Pinzette Abbildung 7: Richtige Orientierung der Linse im E09RMS Adapter Anschließend ist der Kollimator mit Hilfe eines passenden SM1A3 Befestigungsrings in der KC1-T(/M) Halterung anzubringen. Mit den Verstellschrauben an der Halterung ist es Ihnen Justierung möglich, Kollimator exakt auszurichten.
  • Seite 25 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 8: Bauteile Linse 1 für Strahlaufweitung Bringen Sie zuerst die LA1074-A Linse mit Hilfe des zugehörigen Befestigungsrings in der SM05L03 Linsenhalterung an. Beachten Sie dabei, dass die gewölbte Seite der Linse nach innen gerichtet ist, so dass sie zu dem Gewinde hin zeigt. Verschrauben Sie anschließend das Bauteil im SM1A6 Adapter, um ihn danach in der CP02(/M) Halterung anzubringen.
  • Seite 26 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 10: Bauteile für den Justierspiegel Standfuß Für den Fuß benötigen Sie den PH3 (PH75/M) Post-Halter und die BA1(/M) Base. Die beiden Komponenten müssen Sie mit einer 1/4"-20 x 5/8" (M6 x 16 mm) Schraube ineinander schrauben, wie es in Abbildung 11 dargestellt ist. Abbildung 11: Standfuß...
  • Seite 27 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 12: Befestigung der Stäbe am Spiegel Danach wird die Fassung der Linse (2) auf die Stäbe geschoben. Dabei muss der Bauch der Linse in Richtung des Spiegels zeigen. Anschließend ist Linse (1) mit Hilfe der Halterung so auf die vier Stäbe zu schieben, dass die Fassung, in der sich die Linse befindet, ebenfalls in Richtung des Spiegels zeigt.
  • Seite 28 Tragbare Optische Pinzette Das Käfigsystem ist auf der Platte in der vorgesehenen Öffnung mit Hilfe des Standfußes, in dem der Post zu fixieren ist, anzubringen. Als nächstes müssen die Stäbe an den ERSCA Adaptern am Laser-Mount verschraubt werden, siehe Abbildung 14. Dabei ist darauf zu achten, dass der Kollimator direkt auf die Laserdiode gerichtet ist.

  • Seite 29: Mikroskop

    Tragbare Optische Pinzette Abbildung 15: Spiegel am Käfigsystem 6.1.4 Mikroskop Als nächstes ist der gedämpfte DP14A(/M) Ø1.5” Post in den dafür vorgesehenen Löchern auf der Platte zu befestigen. Im Folgenden sind zuerst wieder die Einzelteile aus den Komponenten zusammenzubauen, bevor das Mikroskopsystem hergestellt werden kann.
  • Seite 30 Tragbare Optische Pinzette Objektiv Abbildung 17 zeigt die notwendigen Bauteile für das Objektiv. Befestigen Sie zunächst das Objektiv mit Hilfe des SM1A17 Befestigungsrings an der CP02(/M) Halterung. Schrauben Sie anschließend den C1498(/M) Arm an der Halterung fest, wofür Sie einen SD1 Adapter und eine 8-32 x 1/2"...
  • Seite 31 Tragbare Optische Pinzette Linse (3) In Abbildung 19 sind die notwendigen Komponenten für Linse (3) dargestellt. Die LB1676 Linse ist mit Hilfe von zwei Befestigungsringen an der CP02(/M) Halterung zu befestigen. Dieses Bauteil wird im Folgenden als Linse (3) bezeichnet. Abbildung 19: Bauteile für Linse (3) Bandpass-Filter Für den Bandpass-Filter müssen Sie den FES0650 Filter in der CP02T(/M) Halterung...
  • Seite 32 Tragbare Optische Pinzette Filter auf, schrauben ihn mit einem zweiten Ring fest, um danach den zweiten Filter und einen abschließenden Ring anzubringen (verwenden Sie u.a. den nicht genutzten Ring aus der Käfighalterung für die LED). Verbinden Sie anschließend die DCC1645C Kamera über den SM1T2 Adapter mit der SM1L20 Lens Tube, in der sich die Filter befinden.
  • Seite 33 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 22: Aufbau des Mikroskops Schieben Sie zunächst die Halterung mit dem Objektiv von unten auf die kürzeren ER2 Stäbe und befestigen Sie das Objektiv, indem Sie den dafür vorgesehenen C1498(/M) Arm am DP14(/M) Ständer festschrauben. Achten Sie auch an dieser Stelle darauf, dass Sie die Objektiv-Optik nicht mit den Fingern berühren.

  • Seite 34: Steuer- Und Positioniereinheit

    Tragbare Optische Pinzette Die optische Pinzette ist bis auf den Positioniertisch und die Steuerelemente aufgebaut. Abbildung 23 zeigt das Zwischenergebnis. Abbildung 23: Bisheriger Aufbau 6.1.5 Steuer- und Positioniereinheit Die Steuer- und Positioniereinheit besteht wie auch die Einheiten davor aus mehreren Einzelkomponenten, die Sie zuerst aus den Bauteilen anfertigen müssen.
  • Seite 35 Tragbare Optische Pinzette den zweiten motorisierten MT1(/M)-Z8 Tisch so an, dass dessen Verbindungsstück nach hinten zeigt. Danach ist der Winkel MT402 auf der zweiten motorisierten Bühne anzubringen. An dessen Hinterseite ist die Bühne mit der MT1(/M) Mikrometerschraube anzubringen. Dabei muss die Mikrometerschraube nach oben zeigen. Die kleinen, mitgelieferten Passstifte können zum richtigen Aufbau verwendet werden.
  • Seite 36 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 25: Zusammengebauter Probenpositioniertisch Befestigen Sie nun den zusammengesetzten Tisch auf der dafür vorgesehenen Position auf der Lochrasterplatte. Achten Sie darauf, dass sich der Probenhalter mittig unter dem Objektiv befindet. Schließlich müssen noch die Bedienungselemente auf der Platte angebracht werden. Diese sind in Abbildung 26 dargestellt.

  • Seite 37: Inbetriebnahme

    Sie bei der Installation dazu aufgefordert werden. Öffnen Sie anschließend das neu installierte Programm. Thorlabs bietet zwei Plattformen um die große Palette der Positionierungssysteme zu steuern: Die bestehende APT (Advanced Positioning System) oder die neue Kinesis Software. Die bestehende APT Software basiert auf AciveX-Steuerelementen und die neue Kinesis Software auf der .Net Systemsteuerung.
  • Seite 38 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 28: Benutzeroberfläche der Kinesis Software des Laser-Treibers Abbildung 29: Benutzeroberfläche der APT-Software des Laser-Treibers Öffnen Sie die Einstellungen (Settings) im Fenster der Kinesis (Abbildung 28) oder APT (Abbildung 29) Benutzeroberfläche. Um den Laser verwenden zu können, muss in den Einstellungen des Treibers auf “Anode grounded”...
  • Seite 39 Tragbare Optische Pinzette Sie die „Persist Settings to Hardware“ Checkbox um die Einstellungen auf dem Gerät zu speichern. Die typische Stromstärke zum Betrieb der Laserdiode ist 75 mA und geht bis maximal 110 mA. Sie sollte in diesem Bereich betrieben werden. Wir empfehlen eine Stromstärke knapp unter 100 mA für diese Anwendung.

  • Seite 40: Kamera

    Abbildung 31: Einstellung des Laser-Dioden-Treibers in der APT Software 6.2.3 Kamera Um die Kamera in Betrieb zu nehmen, laden Sie die ThorCam Software von der Thorlabs Homepage herunter oder installieren Sie diese von der mitgelieferten CD. Folgen Sie den Installationsanweisungen und wählen Sie DCU/DCC Series Compact CMOS and CCD Cameras aus.
  • Seite 41 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 33: Benutzeroberfläche der ThorCam Software Um ein Live-Bild von der Kamera zu erhalten drücken Sie Start Capture aus der Befehlszeile. Ändern Sie die Helligkeit an der LED, um das Live-Bild zu überprüfen. Die Kameraeinstellungen sollten wie folgt vorgenommen werden: Öffnen Sie die Einstellungen über Settings.
  • Seite 42 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 34: Kamera-Einstellungen der ThorCam Software Im Camera-Reiter kann die Auslesegeschwindigkeit (Pixel Clock), Bildwiederholungsrate (Frame Rate) und die Aufnahmedauer eines Einzelbilds (Exposure Time) eingestellt werden. Stellen Sie die Auslesegeschwindigkeit (Pixel Clock) nur so hoch ein, wie für die gewünschte Bildwiederholungsrate notwendig.
  • Seite 43 Tragbare Optische Pinzette Gain) macht den Laserspot besser sichtbar, da die Intensität durch den Rotfilter vor der Kamera (zur Vermeidung von Schäden) reduziert wurde. Abbildung 35: Bildeigenschaften der Kamera Mit der ThorCam Software können Sie Screenshots während der Aufnahme machen oder mit Videos aufzeichnen.
  • Seite 44 Kamera an Ihren PC an. Nachdem Ihr PC die Kamera erkannt hat, können Sie den „uc480 Viewer“ öffnen. Als erstes öffnet sich das Dialog-Fenster (siehe Abbildung 37). Abbildung 37: Start Dialog der Kamera-Software http://www.thorlabs.de/software_pages/ViewSoftwarePage.cfm?Code=ThorCam# Reiter: Archive Seite 43 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...
  • Seite 45 Tragbare Optische Pinzette Wählen Sie „Live Video“ aus, um auf die in Abbildung 38 dargestellte Oberfläche zu gelangen. Abbildung 38: Oberfläche von „uc480 Viewer“ Als nächstes muss die Kamera initialisiert werden. Wählen Sie Menü-Punkt „uc480“ - „Initialize“ oder drücken Sie oben links das „Play“ Icon. Die Farbe der Oberfläche ändert sich daraufhin.
  • Seite 46 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 39: uc480 – Properties Wählen Sie den Tab „Image“. Nun können Sie die Rot-, Grün- und Blauverstärkung bestimmen. Stellen Sie in etwa die Werte aus Abbildung 40 ein, die erfahrungsgemäß gute Ergebnisse liefern. Seite 45 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...
  • Seite 47 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 40: uc480 - Properties – Image Des Weiteren können Sie mit Hilfe des uc480 Viewers… einen Schnappschuss schießen ein Video aufnehmen Wenn Sie ein Video aufnehmen möchten, können Sie entweder den oben dargestellten Button anklicken oder im Menüpunkt „File“ „Record Video Sequence“ wählen. Es öffnet sich ein neues Fenster (vgl.
  • Seite 48 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 41: File - Record Dialog In diesem müssen Sie unter „Create“ eine Datei mit dem gewünschten Titel des Videos anlegen. Nach Betätigen des „Save“ Buttons kann das Video im Anschluss zu beliebiger Zeit gestartet („record“) und gestoppt („stop“) werden. Abbildung 42: Video aufnehmen Seite 47 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...

  • Seite 49: Software Für Probenpositioniertisch

    Steuerung der beiden Servomotoren. Um herauszufinden welches Fenster zu welchem Controller gehört, drücken Sie den „Ident“ bzw. „Identify“ Schaltfläche in der Software. Daraufhin blinkt die Anzeige des zugehörigen Controllers. Abbildung 43: Kinesis Benutzeroberfläche. www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_ID=2419 Seite 48 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...
  • Seite 50 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 44: APT Benutzeroberfläche In der Kinesis Software kann in den Einstellungen („Settings“) im Reiter „Advanced“ im Feld bearbeitet werden (siehe Abbildung 45). Wählen Sie den Modus (Joystick Mode) Velocity Control aus. Die empfohlenen Einstellungen für die maximale Geschwindigkeit (Max Velocity) ist 0,05 (mm/s) und die Beschleunigung (Acceleration) 2 (mm/s ).
  • Seite 51 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 45: Kinesis KDC101 Einstellungen Seite 50 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...
  • Seite 52 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 46: Kinesis Geschwindigkeitsstufen für KDC101 (Drive Array Velocity) In der APT Software kann in den Einstellungen („Settings“) das Feld „Wheel Max Velocity“ im Reiter „Panel/Triggering“ bearbeitet werden (siehe Abbildung 47). Die empfohlene Einstellung für die maximale Geschwindigkeit ist 0.05 (mm/s) und die Beschleunigung (Wheel Accn) auf 2 (mm/s ).
  • Seite 53 Tragbare Optische Pinzette Wichtiger Hinweis: Drücken Sie OK um die Einstellungen an den KDC101 Controller zu senden. Wählen Sie das Häkchen „Persist Settings to the Device“ werden die Einstellungen im KDC101 dauerhaft gespeichert und beim nächsten Anschalten des Controllers wieder geladen. Die Einstellungen können auch im Reiter „Device Startup Settings“...

  • Seite 54: Justierung

    Tragbare Optische Pinzette Justierung Um den Laserstrahl zu justieren, müssen sowohl Linse (1) als auch Linse (2) aus dem Strahlengang entfernt werden. Bei Linse (1) muss die Linse samt Fassung aus der Halterung herausgenommen werden. Um Linse (2) aus dem Strahlengang zu nehmen, müssen Sie zuerst einen der Befestigungsringe herausdrehen, um anschließend die Linse entfernen zu können.
  • Seite 55 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 49: Laserspot auf Zielscheibe Entfernen Sie danach die Scheibe aus dem Strahlengang und betrachten Sie den Laserspot an der Decke. Dieser sollte ebenfalls scharf zu sehen sein und einen Durchmesser von wenigen Millimetern besitzen. Des Weiteren ist zu überprüfen, ob der Laserstrahl senkrecht nach oben verläuft.

  • Seite 56: Mikroskop-Fokus Und Letzte Justierungen

    Tragbare Optische Pinzette Abstand zwischen den beiden Halterungen etwa 11cm beträgt. Entfernen Sie danach erneut den oberen Justierspiegel aus seiner Halterung und schalten Sie den Laser ein. Der Laserspot an der Decke sollte nun einen Durchmesser von ca. 2 cm besitzen und immer noch senkrecht austreten.
  • Seite 57 Tragbare Optische Pinzette Justierspiegel den Laserstrahl so auszurichten, dass Sie ihn auf dem Bildschirm als kleinen roten Spot wahrnehmen können. Stellen Sie dabei sicher, dass Sie bei der Einstellung des Live-Bilds die Rotverstärkung maximal eingestellt haben. Um den Laser richtig einzustellen, ist es häufig hilfreich, die LED zu dimmen. Fokusebene des Lasers vs.
  • Seite 58 Tragbare Optische Pinzette Microscope lens Beam Splitter Laser Objective Focal plane laser Abbildung 51: Fokusebenen von Laser und Kamera Der Laser ist dann optimal eingestellt, wenn sich die Kügelchen einfangen und verschieben lassen. Seite 57 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...

  • Seite 59: Kapitel 7 Versuchsbeispiele

    In diesem Kapitel diskutieren wir die Aufgaben mit Glaskügelchen als beispielhafte Probe. Die Materialien sind im separat erhältlichen Probenpräparations-Kit OTKBTK von Thorlabs enthalten. Alle Experimente können natürlich auch mit anderen Materialien, z.B. Polystyrolkügelchen oder Fetttröpfchen in wässrigen Lösungen durchgeführt werden.

  • Seite 60: Einstellen Der Richtigen Fokusebene

    Tragbare Optische Pinzette Winkel aufgelegt werden (siehe Abbildung 53). Entfernen Sie überschüssige Suspension mit einem Papiertuch. Abbildung 53: Tropfen der Glaskügelchen-Suspension auf dem Objektträger Die Proben können entweder vor jedem Experiment neu präpariert werden oder man kann die Deckgläser auf dem Objektträger mit einem UV-härtenden Kleber ankleben. Somit werden die Proben verschlossen und halten sich eine gewisse Zeit lang.

  • Seite 61: Ordnen Der Glas-Kügelchen

    Tragbare Optische Pinzette Gefahr, das Deckglas durch Berührung mit dem Objektiv zu zerstören. Dies schadet dem Objektiv und wäre mit unnötiger Reinigungsarbeit verbunden. Laserstrahl Laserstrahl Laserstrahl Objektiv Objektiv Objektiv Deckglas Probe Objektträger Abbildung 54: Einstellen der richtigen Fokusebene Stellen Sie den Laserfokus so ein, dass Sie Ihre Probe eindeutig und scharf erkennen. Sie können mit Hilfe der Servomotoren die Kügelchen einfangen und an einen anderen Ort befördern.

  • Seite 62: Manipulation In Vertikaler Richtung Innerhalb Einer Sahne-Wasser-Emulsion

    Tragbare Optische Pinzette Abbildung 55: Sortierte --Kügelchen Manipulation in vertikaler Richtung innerhalb einer Sahne- Wasser-Emulsion Mischen Sie einen Tropfen Sahne mit ausreichend Wasser, sodass die Lösung gerade noch leicht milchig ist. Stellen Sie nun eine fertige Probe für die optische Pinzette her. Betrachten Sie die Lösung unter der optischen Pinzette.
  • Seite 63 Tragbare Optische Pinzette Abbildung 56: Fettteilchen in der Sahne-Wasser-Emulsion Ist ein Sahneteilchen, das sich in der optischen Falle befindet, mit der µm-Schraube verfolgt worden und somit deutlich auf dem Monitor zu erkennen, so kann der Laser ausgeschaltet und das Teilchen beobachtet werden. Das Ausschalten des Lasers bewirkt, dass sich das Fettteilchen nicht mehr in der optischen Falle befindet und sich somit wieder nach oben an die Wasseroberfläche bewegt.
  • Seite 64 Tragbare Optische Pinzette Fettteilchen wird zum Laserfokus hingezogen Fettteilchen befindet sich in der optischen Falle Fettteilchen bewegt sich bei abgeschalte- tem Laser wieder an die Wasseroberfläche Seite 63 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...

  • Seite 65: Die Haltekraft Der Optischen Falle

    Tragbare Optische Pinzette Die Haltekraft der optischen Falle 7.5.1 Die Brownsche Bewegung Die Eigenbewegung oder Zitterbewegung von Teilchen, die auch als so genannte Brownsche Bewegung bezeichnet wird, kann unter der optischen Pinzette beobachtet werden. Entsprechende Proben sind unter www.polysciences.com Microspheres and Particles zu finden.
  • Seite 66 Tragbare Optische Pinzette werden. Über diesen Zeitraum sollten sich etwa 5 Teilchen im Bild befinden, die nicht mit anderen Kugeln zusammenstoßen. Ein weiteres Video ist mit den 1μ -PS-Kugeln aufzunehmen. Die Videos müssen mit Hilfe einer Bildanalyse-Software ausgewertet werden, die in der Lage ist, die - und Werte für ein Teilchen in Abhängigkeit von der Zeit auszugeben.

  • Seite 67: Die Maximale Haltekraft

    Tragbare Optische Pinzette Lösung Abbildung 58 zeigt, dass die Steigung der Kurve mit zunehmendem Durchmesser der PS-Kügelchen abnimmt. Dieses Ergebnis kann mit Hilfe der Brownschen Bewegung erklärt werden. Die 1μ Kugeln lassen sich durch die Stöße mit den Wassermolekülen leichter in eine Zitterbewegung versetzen als PS-Kugeln mit einem größeren Durchmesser.
  • Seite 68 Tragbare Optische Pinzette (22) Hierbei beschreibt den Radius des PS-Kügelchens und die effektive Viskosität der Suspension. Letztere sagt aus, wie „zäh“ die Kombination aus Wasser und PS- Kügelchen ist und unterscheidet sich für jede Probe. Da die Viskosität von verschiedenen Faktoren abhängig ist, muss sie experimentell bestimmt werden. Sie ist abhängig von der mittleren quadratischen Verschiebung der Teilchen, welche in der vorangegangenen Aufgabe bestimmt, und in einem Diagramm über die Zeit aufgetragen wurde.
  • Seite 69 Tragbare Optische Pinzette (25) Hierbei beschreibt die effektive Viskosität der Suspension, den Radius des PS- Kügelchens und die Geschwindigkeit. Von der maximalen Haltekraft spricht man genau dann, wenn das PS-Kügelchen bei einer bestimmten Geschwindigkeit gerade noch festgehalten werden kann. Dies ist der Fall, wenn beide Kräfte im Gleichgewicht sind: (26) Die Haltekräfte liegen in einem Bereich von wenigen Seite 68...

  • Seite 70: Kapitel 8 Didaktischer Kommentar

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 8 Didaktischer Kommentar Die theoretische Modellierung der Haltekräfte der optischen Pinzette wie sie in Kapitel 4 vorgestellt wird, ist für den schulischen Einsatz oder für junge Studenten ungeeignet. Aus diesem Grund wird in diesem Kapitel ein vereinfachter Ansatz vorgestellt, mit dessen Hilfe Schülern und Studenten die optische Pinzette erklärt werden kann.
  • Seite 71 Tragbare Optische Pinzette Intensität Abbildung 59: Gaußförmiges Laserprofil Wie Abbildung 59 zeigt, besitzt der Querschnitt eines Laserstrahls einen bestimmten Radius , entlag dessen sich die Intensität des Lichts ändert. Die Intensität hat ihr Maximum in der Mitte des Strahls und fällt zum Rand hin ab. Betrachtet man nun einen Teilstrahl des Laserbündels aus der Mitte, so weist dieser maximale Intensität auf, während ein weiter außen gelegener Teilstrahl eine geringere Intensität besitzt.
  • Seite 72 Tragbare Optische Pinzette Unfokussierter Laserstrahl, Teilchen befindet sich im Strahlmittelpunkt Zu betrachten ist der Verlauf zweier symmetrisch angeordneter Teilstrahlen (vgl. Abbildung 60), nennen wir sie und . Intensität Abbildung 60: Unfokussierter Laserstrahl trifft auf PS-Kügelchen, das sich auf der Strahlachse befindet Die beiden Teilstrahlen haben die gleiche Intensität und Richtung (da sie beide den gleichen radialen Abstand zum Intensitätsmaximum haben) und tragen damit den gleichen Impuls.
  • Seite 73 Tragbare Optische Pinzette p(s,1) p(t,1) p(s,2) p(t,2) p(s,3) p(t,3) Abbildung 61: Betrachtung der Impulse , 1 beschriftete Pfeil den Impuls des In Abbildung 61 stellt beispielsweise der mit Strahles an der Stelle 1 dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich der Betrag des Impulses, also die Länge der Pfeile, nicht ändert, sehr wohl aber deren Richtung.
  • Seite 74 Tragbare Optische Pinzette das gesamte Strahlbündel - also den Laserstrahl - übertragen werden. Auch hier sind die Pfeile aufgrund der Übersichtlichkeit um den gleichen Faktor vergrößert worden. Δp(s) Δp Δp(t) Abbildung 63: Betrachtung der Netto-Impulsänderung Es ist zu erkennen, dass der gesamte Laserstrahl eine Impulsänderung nach oben erfährt.
  • Seite 75 Tragbare Optische Pinzette Diesmal weisen die beiden Teilstrahlen nicht dieselbe Intensität auf. Somit tragen sie auch nicht mehr den gleichen Impuls, wie Abbildung 65 verdeutlicht: p(s,1) p(t,1) p(s,2) p(t,2) p(s,3) p(t,3) Abbildung 65: Betrachtung der Impulse Damit erfahren die beiden Strahlen die in Abbildung 66 dargestellte Impulsänderung: p(s,1) p(s,3) p(t,3)
  • Seite 76 Tragbare Optische Pinzette Δp(s) Δp Δp(t) Abbildung 67: Betrachtung der Netto-Impulsänderung Der Laserstrahl erfährt also eine Impulsänderung nach links oben und damit erfährt die Kugel eine Impulsänderung nach rechts unten. Sie wird also zurück zum Strahlmittelpunkt und somit zur Stelle der höchsten Intensität gezogen. Damit liegt eine ideale zweidimensionale Falle vor.
  • Seite 77 Tragbare Optische Pinzette Fokussierter Laserstrahl, Teilchen befindet sich im Strahlmittelpunkt unterhalb des Laserfokus Abbildung 68 zeigt zwei Teilstrahlen eines fokussierten Lasers. Der Kugelmittelpunkt befindet sich unterhalb des Laserfokus. Intensität Abbildung 68: Fokussierter Laserstrahl trifft auf PS-Kügelchen, das sich im Strahlmittelpunkt unterhalb des Laserfokus befindet Da sich die Kugel im Strahlmittelpunkt befindet, haben beide Teilstrahlen die gleiche Intensität und tragen damit betragsmäßig den gleichen Impuls.
  • Seite 78 Tragbare Optische Pinzette p(s,1) p(t,1) p(t,2) p(s,2) p(t,3) p(s,3) Abbildung 69: Betrachtung der Impulse Abbildung 70 zeigt die Impulsänderung der beiden Teilstrahlen. p(s,3) p(t,3) p(s,1) p(t,1) Δp(s) Δp(t) Abbildung 70: Betrachtung der Impulse Die Netto-Impulsänderung ist in Abbildung 71 dargestellt. Δp(s) Δp Δp(t)
  • Seite 79 Tragbare Optische Pinzette Der Laserstrahl erfährt eine Impulsänderung nach unten, die Kugel erfährt demnach eine Impulsänderung nach oben, d.h. sie wird zum Laserfokus hin gezogen. Die Kugel bewegt sich also entgegen der Strahlrichtung. Es lässt sich analog zeigen, dass die Kugel nach unten in den Laserfokus gezogen wird, wenn sie sich oberhalb desselben befindet.

  • Seite 80: Kapitel 9 Bestimmungen

    Tragbare Optische Pinzette Kapitel 9 Bestimmungen Thorlabs bietet allen Endnutzern in der EG die Möglichkeit, Produkte am Ende der Nutzung ohne anfallende Entsorgungskosten zurückzugeben, wie durch die WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive) der Europäischen Gemeinschaft und die entsprechenden nationalen Gesetze verlangt.

  • Seite 81: Kapitel 10 Thorlabs Weltweit

    Europe Scandinavia Thorlabs GmbH Thorlabs Sweden AB europe@thorlabs.com scandinavia@thorlabs.com France Brazil Thorlabs SAS Thorlabs Vendas de Fotônicos Ltda. sales.fr@thorlabs.com brasil@thorlabs.com Japan China Thorlabs Japan, Inc. Thorlabs China sales@thorlabs.jp chinasales@thorlabs.com Seite 80 MTN002252-D03 Rev E, 29.September, 2016...
  • Seite 82 www.thorlabs.com...

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