Application-specific optical tweezers

Kampmann, Ronald

The objective of this thesis is to extend the classical optical design process for the development of highly efficient optical tweezers, especially adapted for optical trapping of microscopic objects. This is achieved with an optical force simulation, which is implemented in the optical design process to optimize the optical force. Since most conventional optical tweezers are integrated in inverted light microscopes, the enhancement of the imaging function to an optical trap is often a compromise due to the possibilities allowed by the existing optical setup. The development of optical tweezers requires the ability to optimize the optical trapping performance with respect to the boundary conditions and constrains given by the optical trapping application. Therefore, an optical force simulation tool based on the ray optics approach is developed. This tool not only allows for the calculation of optical forces but also optical aberrations can be considered and experimentally obtained data can be used as input as well. Two optical tweezers, suited to trap particles in gaseous and liquid environment are developed in this thesis. After the design process is completed, the optical components are manufactured externally. For the characterization of the optical components, interferometric and caustic measurements are performed. Once the optical tweezer systems are assembled and aligned, the caustic of the system is measured and used as input data for the force simulation to investigate theoretically the generation of an optical trap. Finally, the optical trapping of fused silica particles with both optical tweezers is experimentally verified. The agreement between the theoretical and experimental results demonstrates the proper function of the force simulation tool. This enables the investigation of how optical tweezers suffer from monochromatic optical aberrations. Therefore, optical trapping experiments and force simulations are performed, which reveal that aberrations without axial symmetry heavily affect the optical trapping performance, whereas aberrations leading to symmetric distortions of the focal spot and the caustic just barely influence the optical trap.

Motiviert wird diese Arbeit durch die Entwicklung hocheffizienter optischer Systeme, welche das optische Fangen mikroskopischer Objekte ermöglichen. Dazu muss der klassische Optikdesignprozess mit einer neuen Zielfunktion, der optischen Kraft, erweitert werden. Konventionelle optische Pinzetten sind oftmals in invertierte Lichtmikroskope integriert. Die Erweiterung der abbildenden Funktion des Mikroskops zu einer optischen Pinzette stellt häufig nur einen Kompromiss aufgrund des bereits existierenden optischen Aufbaus dar. Speziell an die Anwendung angepasste optische Pinzetten erfordern die Optimierung der optischen Kraft im Hinblick auf die gestellten Anforderungen und die vorherrschenden Randbedingungen. Hierfür wird eine optische Kraftsimulation auf Basis der geometrischen Optik entwickelt. Diese ermöglicht das Simulieren optischer Kräfte bezüglich frei wählbarer Eingangsparameter wie der numerischen Apertur der Optik, der zu fokussierenden Intensitätsverteilung, optischer Aberrationen und anderer. Zwei Systeme, welche das optische Fangen in gasförmigen und flüssigen Umgebungsmedien realisieren, werden mit dem erweiterten Optikdesignprozess entwickelt, wobei die Komponenten extern gefertigt werden. Nach der optischen Charakterisierung der Elemente sowie der anschließend justierten optischen Systeme wird zunächst theoretisch überprüft ob beide Systeme eine stabile optische Falle erzeugen. Anschließend wird experimentell das optische Fangen mikroskopischer Quarzglaspartikel mit beiden Systemen nachgewiesen. Auf Grundlage der Übereinstimmung der experimentellen und theoretischen Ergebnisse wird das Verhalten optischer Pinzetten unter dem Einfluss optischer Aberrationen untersucht. Das gezielte Einbringen von Aberrationen in eine optische Pinzette sowie die entsprechende Reaktion der optischen Falle werden experimentell und theoretisch analysiert. Es stellt sich heraus das Aberrationen, welche die Symmetrie der Kaustik des optischen Systems zerstören die Stabilität und Leistungsfähigkeit der optischen Pinzette stark beeinflussen. Achssymmetrische Aberrationen hingegen beeinträchtigen die optische Falle deutlich weniger.

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Kampmann, Ronald: Application-specific optical tweezers. Ilmenau 2017.

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