Direkte Messung von Licht-Drehmomenten

Bei einer optischen Pinzette wird ein Laserstrahl verwendet, um mikroskopisch kleine Teilchen wie z.B. einzelne Zellen oder Mikroorganismen festzuhalten ohne sie zu berühren. Das Laserlicht übt Kräfte aus, die dazu benützt werden, um die gefangenen Teilchen kontrolliert zu verschieben oder zu drehen. Für grundlegende Untersuchungen aber auch für konkrete Anwendungen ist es wichtig, die dabei auftretenden Kräfte präzise und vollständig messen zu können. Ziel dieses Forschungsprojekts Direkte Messung von Licht-Drehmomenten ist die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger, praktisch anwendbarer Messmethoden, um nicht nur Lichtkräfte, sondern auch von Licht ausgeübte Drehmomente zu messen, die zu einer Rotation des gefangenen Teilchens führen. Dabei wird ausgenützt, dass der Laserstrahl durch das gefangene Teilchen abgelenkt wird. Durch Analyse der gemessenen Veränderung der Richtungsverteilung des Lichts, das zum Fangen verwendet wird, lässt sich die übertragene Kraft und das Drehmoment direkt messen. Eine Messung des Drehmoments ist jedoch deutlich anspruchsvoller, da dies wesentlich detailliertere Kenntnisse über das Lichtfeld erfordert. Dazu greifen wir auf Methoden der digitalen Holographie zurück, um vollständige Information über das Lichtfeld zu erhalten. Dies ermöglicht es uns auch, die einzelnen Kräfte und Drehmomente von mehreren, gleichzeitig gefangenen Teilchen individuell zu berechnen. Diese Methode hat den großen Vorteil, das für die Messung von Kraft und Drehmoment keinerlei Information über Größe, Form oder Material des Teilchens benötigt werden, wie das bei herkömmlichen Methoden der Fall ist. Das eröffnet neuartige Anwendung insbesondere in Biologie und Medizin, bei denen Teilchen wie z.B. Zellen mit unregelmäßiger, variierender Form untersucht werden.

Das Ziel des Projekts "Direkte Messung von Licht-Drehmomenten" war die Entwicklung von neuartigen Methoden zur Messung von Kräften und Drehmomementen, die beim optischen Fangen kleiner Teilchen auftreten. Optische Kräfte, die beim Ablenken eines fokussierten Laserstrahls durch ein Teilchen auftreten, erlauben es kleine Teilchen wie etwa einzelne Zellen oder Mikroorganismen zu halten und zu manipulieren. Die sogenannte optische Pinzette hat insbesonders in Biologie und Medizin weite Anwendung gefunden wegen ihrer Fähigkeit Teilchen berührungslos mit hoher Präzision handzuhaben. Für deren Erfindung wurde Arthur Ashkin 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die zentrale Idee diese Projekts war es Kräfte und Drehmomente zu messen, indem beobachtet wird, wie die Ausbreitungsrichtung des zum Fangen verwendeten Lichts durch das Teilchen beeinflusst wird. Dies liefert unmittelbar die ausgeübte Kraft und das Drehmoment, wobei keine weitere Informationen über die Eigenschaften des Teilchens wie Größe, Form oder Material benötigt werden. Messungen des Drehmoments sind mit diesem Ansatz deutlich anspruchsvoller, da dafür sehr detaillierte Informationen über die Wellenfront des Lichts benötigt werden. Diese Herausforderung wurde bezwungen, indem eine aus der Holographie entlehnte Herangehensweise benützt wurde, um vollständige Information über das Lichtfeld zu erhalten. Dadurch war es uns erstmalig möglich eine allgemein anwendbare Methode zu realisieren, um optische Drehmomente auf einfache und robuste Weise zu messen, wobei die Methode auch auf Teilchen mit beliebiger Form und Material anwendbar ist. Die durch unsere Methode gelieferte vollständige Information über das zum Fangen verwendeten Licht erlaubte es uns auch, alle Komponenten der einzelnen Kräfte und Drehmomente zu bestimmen, wenn gleichzeitig mehrere Fallen zum Halten von einem oder mehreren Teilchen beteiligt sind. Erhebliche Anstrengungen wurden aufgewendet um präzise Messung sicher zu stellen, auch in dynamisch veränderlichen Situationen. Die besonderen Merkmale unserer Methode zur Messung von optischen Kräften und Drehmomenten machen diese besonders geeignet für Anwendungen in Biologie und Medizin, wo die Vielfalt von komplexen und variablen Formen und Eigenschaften von biologischen Substanzen eine große Hürde für die Anwendbarkeit von konventionellen Methoden darstellt. Als Demonstration von möglichen lohnenswerten Anwendungen dieser Methoden haben wir die mechanische Reaktion von roten Blutzellen gemessen, wenn diese mit vier optischen Fallen gedehnt wurden.