System design of optical trapping setups

Oeder, Andreas GND

Ziel dieser Dissertation ist die Einführung und Verifikation eines Entwurfsprozesses für optimierte optische Pinzettensysteme. In diesem Prozess werden die Prinzipien aus dem klassischen Optikdesign verwendet und mit einem Modul zur Berechnung optischer Kräfte kombiniert. Dadurch wird es möglich, optimal angepasste Gesamtsysteme zu entwerfen. Diese Sichtweise auf optische Systeme für die Mikromanipulation ermöglicht ferner die Erweiterung des Anwendungsspektrums und die Entwicklung dieser Technologie hin zum kostengünstigen Einsatz im industriellen Umfeld.Die Nähe zur realen Anwendung wird erreicht, indem vorhandene Optikdesignsoftware zur Berechnung des Systemverhaltens genutzt wird und dessen Einflüsse auf die Kraftwirkungen in der optischen Falle auf dieser Grundlage bestimmt werden. Da gängige Optikdesignsoftware und deren Optimierungsverfahren mehrheitlich mit strahlenoptischen Modellen arbeiten, wird in dieser Arbeit die Kraftsimulation ebenfalls nach dem strahlenoptischen Ansatz berechnet. Aufkommende Technologien zur Herstellung optischer Freiformflächen gestatten es, auch unkonventionelle Bauelemente zu fertigen. Daraus ergeben sich im Design neue Freiheitsgrade, die zu neuen Systemkonfigurationen führen. Der Gedanke der Systemoptimierung wird in dieser Arbeit anhand von drei Beispielen dargestellt. Zunächst werden die Optimierungspotentiale eines konventionellen Mikroskopobjektivs aufgezeigt. Mit dem Design und erfolgreichen Test eines kompakten Pinzettensystems mit einem Arbeitsabstand von 650 µm wird die Leistungsfähigkeit des Konzeptes experimentell demonstriert. Ausblickend werden Ansätze für eine spezialisierte Optik für optische Fallen in Luft präsentiert. Durch den erbrachten Nachweis der Funktionalität kann das vorgestellte Entwurfskonzept als allgemeine Grundlage für die Entwicklung spezialisierter Optiken für optische Fallen betrachtet werden.

The objective of this thesis is the introduction and verification of a holistic design process for optimized optical systems for optical trapping. In this process the principles from classical optics design are used and combined with a force calculation module. Hence, it becomes possible to identify optimum overall systems configurations. This new perspective on optical trapping systems enables the extension of the current fields of application and the development of optical manipulation technology towards a cost effective tool in the industrial environment. Consistency between simulation and actual application is achieved by using optics design software to model the system behavior and calculating the influence of the system on the optical forces based on this model. Since most of the leading optics design software and their optimization routines use ray optics, we opted to use ray tracing for the calculation of optical forces as well. Upcoming technologies for the fabrication of optical free form surfaces enable the production of unconventional optical components. This leads to new design freedom which leads to novel system configurations.We demonstrate the idea of system optimization using three examples. First the potentials for improving the performance of conventional microscope objectives are shown. The central achievement on the experimental side is the successful design and test of a compact trapping system with a record working distance of 650 µm. This experiment proves the potential of the design process. As an outlook we present concepts for specialized optics for trapping in air. Generally, the demonstration of the functionality of the design concept qualifies it as a basis for the development of specialized optics for trapping.

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Oeder, Andreas: System design of optical trapping setups. 2013.

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