Um mehrere optische Fallen unabhängig voneinander zu bewegen, können unter anderem zum Beispiel lenkbare Spiegel eingesetzt werden. Solche mechanischen Systeme werden jedoch bei optischen Pinzetten mit mehr als zwei Fallen äußerst komplex. Abhilfe schaffen akkustooptische Deflektoren oder ein räumlicher Lichtmodulator (SLM, spatial light modulator), der in der Fourierebene der Objektebene plaziert wird. Durch Einschreiben eines entsprechenden Fourierhologramms kann eine nahezu beliebige Anzahl von Fallen unterschiedlichster Formen erzeugt werden. Durch dynamische Änderung des Hologramms können diese Fallen unabhängige voneinander in drei Dimensionen bewegt werden. Eine solche Rea­lisie­rung der optischen Pinzette nennt sich holografische Pinzette.
Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau der holografischen Pinzette. Der Lichtmodulator wird mit einem kollimierten Laserstrahl beleuchtet und liegt in einer zur hinteren Brennebene des Mirkoskopobjektivs konjugierten Ebene. Das vom Modulator reflektierte Licht wird durch das Mikroskopobjektiv in das gewünschte Lichtfeld transformiert.
Aus dieser Anordnung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: Die optischen Fallen lassen sich ohne aufwändige Mechanik, wie sie bei konventionellen optischen Pinzetten benötigt wird, unabhängig voneinander in 3 Dimensionen bewegen. Zudem lässt sich die Anzahl der Fallen ist frei wählen und Fallenprofile lassen sich in Videoechtzeit verändern. Dies eröffnet die Möglichkeit der Aberratioskorrektur.

Abbildung 2: Schema der holografischen Pinzette

Optische Pinzetten werden vor allem in biologischen Anwendungen wie zum Beispiel zur gezielten Manipulation von Zellen angewendet. Neben diesem Betätigungsfeld eröffnen sich jedoch immer mehr neue Anwendungen in der Mikrosystemtechnik, der Mikroreaktorik und der Mikrofluidik.

Zurzeit werden verschiedene Forschungsschwerpunkte im Zusammenhang mit der holografischen Pinzette verfolgt.

Aberrationskorrektur

Zum einen kann durch den Einsatz des Lichtmodulators eine Aberrationskorrektur ( Details ) verwirklicht werden. Der Brechungsindex innerhalb einer Probe kann sowohl zeitlich als auch örtlich variieren. Neben den statischen Abbildungsfehlern des Systems werden hierdurch dynamische Abberationen eingeführt, die die Fangkraft vermindern. Durch Änderung des in das SLM eingeschriebenen computergenerierten Hologramms können diese Aberrationen ausgeglichen werden.
Abbildung 3a zeigt im oberen Bereich eine Lichtfalle. Abbildung 3b zeigt die korrigierte Lichtfalle. Wird der Abbildungsstrahlengang ebenfalls über den Lichtmodulator gelenkt, so kann man auch die Aberrationen eines abgebildeten Objektes korrigieren (Abbildung 4)

Abbildung 3: a) zeigt rechts oben die nicht korrigierten, b) die korrigierte optische Falle	Abbildung 4: unten: Objekte oben: korrigierte 1. Beugungsordnung der Abbildung

Angepasste Lichtfelder

Ein weiteres Forschungsziel ist die Optimierung von Lichtfeldern. Oft sollen Objekte möglichst stabil eingefangen werden. Dies ist möglich durch Erhöhung der Laserleistung, die jedoch oft zu Schädigungen von biologischen Proben führt. Da sich biologische Objekt in Größe und Form sehr voneinander unterscheiden können, ist ein beugungsbegrenzter Fokus nicht immer die ideale Fallenform. Hier können äußerst komplexe Fallengeometrien bei geringerer Lichtleistung eine starke Kraft auf ein Objekt ausüben. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Lichtfelder dem Objekt anzupassen und somit durch Verringerung der Lichtleistung eine Schädigung von biologischen Proben zu vermeiden. Die Effektivität einer Falle kann durch eine Messung der auf das Objekt ausgeübten Kraft ermittelt werden:

Eine optische Falle übt eine begrenzte Kraft auf ein Objekt aus, so dass das gefangene Objekt sich aufgrund Brownscher Bewegung innerhalb der Falle bewegen kann. Bewegt das Objekt sich aus der Falle heraus, so wirkt eine Rückstellkraft, die umso größer ist, je stärker die auf das Objekt ausgeübte Fangkraft ist. Dadurch verringert sich die Auslenkungen durch die Brownsche Bewegung. Durch Messung der Positionsschwankungen eines Objekts lassen sich somit Rückschlüsse auf die Kraft ziehen. Dies ist eine der genauesten Möglichkeiten, Kräfte zu messen. Die messbaren Kräfte liegen hierbei im Piconewtobereich.

Abbildung 5: Schematisches Energieprofil einer optischen Falle. Das Objekt erfährt eine thermische externe Kraft und eine Rückstellkraft, die es in die Falle zurückzieht

Referenzen