WO2009065519A1 - Method for measurement of the force which acts on an object which is held in optical tweezers/an optical catch, and optical tweezers/an optical catch - Google Patents

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WO2009065519A1
WO2009065519A1 PCT/EP2008/009582 EP2008009582W WO2009065519A1 WO 2009065519 A1 WO2009065519 A1 WO 2009065519A1 EP 2008009582 W EP2008009582 W EP 2008009582W WO 2009065519 A1 WO2009065519 A1 WO 2009065519A1
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laser
light
optical
beam splitter
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Andy Sischka
Dario Anselmetti
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B21/32Micromanipulators structurally combined with microscopes
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/283Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the force acting on an object trapped in an optical tweezers / trap in which light scattered back from the object being trapped by the optical tweezer / trap lens is detected by a detector and determines the force from the detector signal becomes.
  • the invention furthermore relates to an optical tweezers / trap, comprising an objective for focusing a laser radiation for capturing an object in the focal region of this laser radiation and having a detector for detecting a detector signal which generates the laser light backscattered by an object through the objective onto the detector; wherein based on the detector signal acting on an object force can be determined.
  • optical traps or optical tweezers which are essentially synonymous terms for the same arrangement
  • objects for observation or manipulation are caught in a strong laser light, here in particular in the focal range of a laser beam, the focus being produced by a correspondingly suitable objective.
  • it is of interest to measure the forces acting on the trapped object by measurement. It is known to perform a metrological detection by means of the backscattered at the trapped object light.
  • Such a measurement in back reflection is known in the art, wherein in a possible application of the original laser beam in back reflection is also used as a detector beam.
  • This method is based on the fact that the laser beam first passes through a beam splitter, which is intended to deflect the backscattered light from the direction of backscattering.
  • known conventional beam splitters are used, usually with a beam splitting ratio of 50 to 50, so that on the one hand, the irradiated to generate the optical trap laser beam is attenuated, since only the transmitted portion is available for the generation of the trap and also has the disadvantage in that the backscattered light in the beam splitter is also attenuated, since only the reflected component is reflected by the backscattered component in accordance with the beam splitter ratio of the beam splitter used, that is, for example, also only 50%.
  • the beam splitter ratio of the beam splitter used that is, for example, also only 50%.
  • a further device or method is known, according to which a laser beam generating the trap is beamed into the optical trap in an exactly parallel manner into this optical path, with a very low intensity Object backscattered light of this additional laser beam is detected and evaluated.
  • this laser beam can for example take place in that a separate laser beam is used with a shorter wavelength, this laser light, for example, by means of a dichroic filter on and the backscattered light from the beam path of the laser beam forming the trap can also be decoupled again.
  • this separate laser beam which serves as a separate detection beam, must also pass through a beam splitter in order to be directed to the dichroic mirror and also to transmit the returning light on the return path so that this light can fall on the detector and not into the generating laser runs back.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for measuring the force by evaluating the backscattered on an object in the case laser light of the illuminating laser beam and thus with a so-called single-beam optical tweezers, which does not have the aforementioned features, provides higher overall intensities , provides a high trap quality and requires less adjustment accuracy compared to the prior art.
  • the object is furthermore to provide a suitable optical tweezers or an arrangement of optical elements for forming such an optical tweezers or trap.
  • this object is achieved in that a used for generating the optical tweezers / trap, in a first direction linearly polarized laser beam passes through a polarizing beam splitter, then passes through a polarization rotating element and an objective, the laser beam through the polarization rotating element circularly polarized and through the lens is focused and captures an object in the focus area and further wherein the object trapped by the object backscattered light of the same laser beam, the polarization rotating element in the reverse direction is linearly polarized by this polarization rotating element in a second direction perpendicular to the first direction and the polarizing beam splitter happens, wherein the polarizing beam splitter the illuminating laser beam and the backscattered laser light separates and the backscattered laser light is detected by the detector.
  • the object is further achieved by an optical tweezers / trap of the aforementioned type, which in a common region of the beam path of incident and backscattered laser beam a polarizing beam splitter and this in the direction of the illuminating laser beam subsequent polarization rotating element umfas'st to form an optical switch between incident laser radiation and the laser light scattered back on the object by the objective laser light of the same laser beam, wherein the detector is arranged in the separate from the incident laser light beam path of the backscattered light.
  • the essential core idea of this method or of the named device is therefore to use the original laser beam used to form the trap as well as a detection beam without using a necessarily attenuating beam splitter, which is realized here in that the used beam splitter compared to Prior art has polarizing properties, ie the laser light of an excellent linear polarization direction can pass through the beam splitter without being deflected and laser light of a perpendicular linear polarization is reflected by the beam splitter out of the beam direction.
  • Such a beam splitter which may be formed for example as a beam splitter cube, serve as an optical switch for laser beams of mutually perpendicular Poiarisationsraumen.
  • a polarization-rotating element in that, for example, a lambda quarter plate is used to move the original illuminating laser light from the first linear polarization into a circular polarization corresponding to the direction of rotation of the polarization-rotating element, ie For example, to convert a left or a right circular polarization.
  • circularly polarized light in the optical trap or tweezers in the focus area is used for holding an object by the following objective, whereas linearly polarized light is used in the usual way in the prior art.
  • the backscattered light is separated from the originally incident laser light by the polarizing beam splitter, which now follows the polarization-rotating element in the rear beam path and can fall in a separate beam path on the detector, where this backscattered laser light detected and a corresponding signal is formed, which with regard to the force, in particular with regard to at least two, preferably of three dimensions can be evaluated.
  • the polarizing beam splitter and the polarization-rotating element form an optical switch, which separates the beam path of the incident laser light from the beam path of the backscattered laser light at the location of the beam splitter.
  • the polarizing beam splitter has the particular advantage over conventional beam splitters that, in the aforementioned embodiment of the beam splitter in transmission for the illuminating laser beam, this laser light substantially passes through the beam splitter to a proportion of greater than 95% and the backscattered laser light becomes one Share of greater than 95%, optionally greater than 98% reflected. Intensity losses due to such a polarizing beam splitter element are therefore negligible in the method according to the invention or the optical tweezers according to the invention, so that, compared with the arrangements in the prior art, significantly higher intensities of the backscattered light are present at the detector.
  • the intensity of the incident light on the detector is therefore only a few percent less than the proportion of the light scattered back to the trapped object, especially where the losses are typically in the range of a few percent, whereas in the prior art methods the intensities would be attenuated to less than a quarter, namely half of the first passage through the beam splitter and again by half in the repeated passage of the backscattered light plus any further reflection and absorption losses.
  • a telescope in particular one and the same telescope is used, which may be constructed, for example, of lenses or from concave mirrors.
  • Such a telescope is intended to widen the incident laser beam to produce the optical trap before passing through the lens.
  • the laser beam should have a diameter which is approximately 20-50% larger than the rear aperture of the trapping objective used.
  • the laser beam must be widened in typical cases to about 10 millimeters, which is to be understood here only as an example and not limiting for the invention.
  • the polarizing beam splitter may be introduced into the beam path where the laser beam has already been widened, i. after such a telescope arrangement.
  • a four-quadrant detector is used as the detector for detecting the backscattered light in order to carry out the measurement of the force.
  • the telescope arrangement thus acts for the incident, forming the trap laser beam straightening while reducing the divergence, whereas for the backscattered light telescope this arrangement reduces the beam while increasing the deflections that has experienced the backscattered light on the trapped object.
  • this telescope arrangement thus amplifies the lateral deflection of the backscattered light by the magnification factor of the expanding system in the incident laser light beam path, which increases the sensitivity of the detector to the smallest deflections of the trapped object and thus also the force resolution.
  • the light spot of the backscattered light incident on the detector in this case is reduced almost exactly by the magnification factor of the beam widening, but the lateral deflection is increased by almost exactly this factor as well.
  • a quadrant detector instead of a quadrant detector to use a linear detector, which detects the usual lateral deflections of the backscattered beam with its sensitive detector surface and preferably generates over its entire detection range a signal that is proportional to the lateral deflection of the beam. This signal can be used to deduce the force in terms of magnitude and direction.
  • the polarization-rotating element facing the lens for example the lambda quarter plate
  • it can preferably be provided to slightly tilt this element in the beam path, at least so that back reflections are outside the detector range.
  • the force in the Z direction i. in the direction of the optical axis of the incident laser light of a trapped object.
  • the total intensity of the incident light on the detector can be measured and compared with a reference, if no external force in the Z direction acts on the captured object.
  • the angle of the beam cone of the backscattered light will be somewhat reduced or increased, resulting in the trap lens being more or less well-scattered light As a result, less or more scattered light through the edges of the objective lenses and the rear aperture of the lens dimmed. This results in an increase or even reduction in the intensity of the backscattered light, which can be evaluated to infer the force or direction of the acting force.
  • the method according to the invention or the device is also very unadjustable to adjustment, since the adjustment is maintained even during a movement of the objective, for example during a focusing, as in an inverted microscope.
  • the distance of the detector to the lens or focus can be set the same as the distance of the lens or focus to a pivot point of a pendulum motion of the illuminating laser beam.
  • a laser beam generated by a laser does not have an exactly constant propagation direction, but performs a pendulum motion, this pendulum motion being around a pivot point.
  • This movement is also referred to as the so-called beampoint instability of the laser.
  • Such a pendulum movement can therefore also lead to a falsification of the measurement results.
  • a method of the type described herein for evaluating the backscattered light also has the advantages that compared to other methods that make measurements on the basis of the light transmitted to the trapped object, now need no adjusting measuring devices on the optical trap.
  • the space above an optical trap thus remains free for arbitrary experimental setups.
  • the movement of the trapping objective no longer leads to readjustment, which would otherwise be required if, in the case of a force measurement in transmission after the object, another objective provided for the measurement would have to be used, which is always confocal with the other Lens to arrange would be.
  • a confocal arrangement eliminates any impairment, for example, due to mechanical vibrations.
  • Figure 1 shows an arrangement for measuring the force with backscattered
  • FIG. 1 shows a typical structure of an optical trap formed by a laser beam 1, which here passes through a lens 3 through a beam splitter 2 in order to be focused through it and in the focal region 4 to an optical trap for capturing an object not shown here form.
  • a laser beam 5 is first coupled in parallel by a beam splitter 6 and the beam splitter 2 mentioned in the beam path of the laser beam generating the trap 1 and also passes through the trap lens 3 and thus through the formed optical trap, where this detection beam 5 as well meets the captured object and is back-scattered at this.
  • the backscattered light is in turn reflected back after passing through the trap lens at the beam splitter 2, passes through the beam splitter 6, optionally a subsequent filter and incident on a detector 7 for receiving a detection signal and evaluation for determining the forces.
  • the arrangement shown here clearly shows the disadvantages of two beam splitters 2 and 6, at each of which significant reflection losses occur, wherein furthermore the additional detection laser beam 5 optionally generates a second optical trap which falsifies the measurement result.
  • the beam path of the detection beam 5 must be adjusted very accurately with respect to the beam path of the laser beam 1 in order to operate this measuring device.
  • Figure 2 shows a structure for forming an optical tweezers or case according to the invention and for carrying out the method according to the invention.
  • a laser beam 1 the only laser beam in this structure, which passes through the polarizing beam splitter 2 unhindered with an exemplary P polarization and passes through a subsequently arranged lambda quarter plate 8 with this P polarization, which is adjusted so that the incident Laser beam is right circular polarized now in this embodiment.
  • the circularly polarized laser light 1 then passes through the trap lens 3, is thereby focused and thus forms the optical trap for capturing an object, not shown here in the focal plane F.
  • the backscattered on a trapped object light also passes through in a rear beam path falling Objective 3, is now polarized left circular due to the exact reverse propagation direction, passes through the lambda quarter plate 8 in the rearward optical path, so that thereafter results in an S-polarized linear polarization of the backscattered light.
  • the backscattered light and the originally irradiated laser light of the same laser therefore have polarizations which are perpendicular to one another, which means that the backscattered light which is now polarized in S polarization is reflected at the polarizing beam splitter 2 out of the beam path in the direction of the right side in this illustration
  • the backscattered light can also pass through a filter 9 for blocking ambient light, which only allows the backscattered light to pass.

Abstract

The invention relates to a method for measurement of the force which acts on an object which is held in optical tweezers/an optical catch, in which the light which is scattered back from the held object through the objective of the optical tweezers/catch is detected by a detector and the detector signal is used to determine the force in the case of which a laser beam (1) which is used to produce the optical tweezers/catch and is polarized linearly in a first direction passes through a polarizing beam splitter (2) then passes through a polarization-rotating element (8) and an objective (3), wherein the laser beam (1) is circular-polarized by the polarization-rotating element (8) and is focussed by the objective (3) and holds an object in a focus area, and wherein, furthermore, light which is scattered back from the held object through the objective (3) from the same laser beam (1) passes through the polarization-rotating element (8) in the opposite direction, is linear-polarized by this polarization-rotating element (8) in a second direction at right angles to the first direction, and passes through the polarizing beam splitter (2), wherein the polarizing beam splitter (2) separates the illuminating laser beam (1) and the back-scattered laser light, and the back-scattered laser light is detected by means of the detector (7). The invention also relates to optical tweezers/an optical catch having an objective (3) for focussing of laser radiation (1) for holding an object in the focus area of this laser radiation (1) and to a detector (7) for detection of a detector signal produced by the laser light which is scattered back onto the detector (7) from an object through the objective (3), wherein a force which acts on an object can be determined on the basis of the detector signal, which force comprises, in a common area of the beam path of the incident laser beam and the back-scattered laser beam, a polarizing beam splitter (2) and a polarization-rotating element (8) which follows the beam splitter (2) in the direction of the illuminating laser beam (1), in order to form an optical switch between incident laser radiation (1) and the laser light which is scattered back on the object through the objective (3), wherein the detector (7) is arranged in the beam path of the back-scattered light, which beam path is separate from the incident laser light (1).

Description

Verfahren zur Messung der Kraft, die auf ein in einer optischen Pinzette/Falle gefangenes Objekt wirkt und optische Pinzette/Falle Method for measuring the force acting on an object caught in an optical tweezer / trap and optical tweezers / trap
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Kraft, die auf ein in einer optischen Pinzette/Falle gefangenes Objekt wirkt, bei dem von dem gefangenen Objekt durch das Objektiv der optischen Pinzette/Falle zurückgestreutes Licht mit einem Detektor erfasst und aus dem Detektorsignal die Kraft bestimmt wird.The invention relates to a method for measuring the force acting on an object trapped in an optical tweezers / trap in which light scattered back from the object being trapped by the optical tweezer / trap lens is detected by a detector and determines the force from the detector signal becomes.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine optische Pinzette/Falle, umfassend ein Objektiv zur Fokussierung einer Laserstrahlung für das Einfangen eines Objektes im Fokusbereich dieser Laserstrahlung sowie mit einem Detektor zur Erfassung eines Detektorsignals, welches das von einem Objekt durch das Objektiv auf den Detektor zurückgestreute Laserlicht erzeugt, wobei anhand des Detektorsignals eine auf ein Objekt wirkende Kraft bestimmbar ist.The invention furthermore relates to an optical tweezers / trap, comprising an objective for focusing a laser radiation for capturing an object in the focal region of this laser radiation and having a detector for detecting a detector signal which generates the laser light backscattered by an object through the objective onto the detector; wherein based on the detector signal acting on an object force can be determined.
Beim Einsatz optischer Fallen bzw. optischer Pinzetten, welches im Wesentlichen synonyme Begriffe für dieselbe Anordnung sind, werden Objekte zur Beobachtung oder Manipulation in einem starken Laseriichtfeid gefangen, hier insbesondere im Fokusbereich eines Laserstrahls, wobei der Fokus durch ein entsprechend geeignetes Objektiv erzeugt wird. Hierbei ist es von Interesse, die auf das gefangene Objekt wirkenden Kräfte messtechnisch zu erfassen. Dabei ist es bekannt, eine messtechnische Erfassung mittels des an dem gefangenen Objekt zurückgestreuten Lichtes vorzunehmen.When using optical traps or optical tweezers, which are essentially synonymous terms for the same arrangement, objects for observation or manipulation are caught in a strong laser light, here in particular in the focal range of a laser beam, the focus being produced by a correspondingly suitable objective. In this case, it is of interest to measure the forces acting on the trapped object by measurement. It is known to perform a metrological detection by means of the backscattered at the trapped object light.
Eine derartige Messung in Rückreflektion ist im Stand der Technik bekannt, wobei in einer möglichen Anwendung der ursprüngliche Laserstrahl in Rückreflektion auch als Detektorstrahl eingesetzt wird. Diese Methode basiert darauf, dass der Laserstrahl zunächst durch einen Strahlteiler hindurchtritt, der dafür vorgesehen ist, das zurückgestreute Licht aus der Richtung der Zurückstreuung auszulenken. Hierbei werden bekannte übliche Strahlenteiler eingesetzt, üblicherweise mit einem Strahlteilungsverhältnis von 50 zu 50, so dass zum einen der zur Erzeugung der optischen Falle eingestrahlte Laserstrahl abgeschwächt wird, da nur der transmittierte Anteil für die Erzeugung der Falle zur Verfügung steht und hat weiterhin auch den Nachteil, dass auch das zurückgestreute Licht im Strahlteiler abgeschwächt wird, da ebenso von dem zurückgestreuten Anteil nur der reflektierte Anteil gemäß dem Strahlteilerverhältnis des eingesetzten Strahlteilers, also beispielsweise ebenso nur 50%, reflektiert wird. So stehen für Messzwecke nur sehr geringe Strahlintensitäten an dem eingesetzten Detektor zur Verfügung, so dass mittels derartigen Anordnungen üblicherweise nur Kraftmessungen in ein oder zwei Dimensionen möglich waren.Such a measurement in back reflection is known in the art, wherein in a possible application of the original laser beam in back reflection is also used as a detector beam. This method is based on the fact that the laser beam first passes through a beam splitter, which is intended to deflect the backscattered light from the direction of backscattering. In this case, known conventional beam splitters are used, usually with a beam splitting ratio of 50 to 50, so that on the one hand, the irradiated to generate the optical trap laser beam is attenuated, since only the transmitted portion is available for the generation of the trap and also has the disadvantage in that the backscattered light in the beam splitter is also attenuated, since only the reflected component is reflected by the backscattered component in accordance with the beam splitter ratio of the beam splitter used, that is, for example, also only 50%. Thus, for measurement purposes, only very low beam intensities are available at the detector used, so that usually only force measurements in one or two dimensions were possible by means of such arrangements.
Um in reflektiver Geometrie Kraftmessungen in bis zu drei Dimensionen durchzuführen, ist eine weitere Vorrichtung bzw. Methode bekannt, gemäß der ein zum die Falle erzeugenden Laserstrahl exakt parallel in diesen Strahlengang eingespiegelter Strahl mit einer sehr geringen Intensität in die optische Falle eingestrahlt wird und das am Objekt rückgestreute Licht dieses zusätzlichen Laserstrahls detektiert und ausgewertet wird.In order to perform force measurements in up to three dimensions in reflective geometry, a further device or method is known, according to which a laser beam generating the trap is beamed into the optical trap in an exactly parallel manner into this optical path, with a very low intensity Object backscattered light of this additional laser beam is detected and evaluated.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein separater Laserstrahl mit kürzerer Wellenlänge benutzt wird, wobei dieses Laserlicht z.B. leicht mittels eines dichroitischen Filters ein- und das rückgestreute Licht aus dem Strahlengang des die Falle bildenden Laserstrahls auch wieder ausgekoppelt werden kann. Dieser separate Laserstrahl, der als separater Detektionsstrahl dient, muss jedoch ebenso durch einen Strahlteiler hindurchtreten, um zum einen zum dichroitischen Spiegel hingelenkt zu werden und zum anderen auch das zurückkommende Licht auf dem Rückweg hindurchzulassen, damit dieses Licht auf den Detektor fallen kann und nicht in den erzeugenden Laser zurückläuft. Der Nachteil einer solchen Anordnung oder dieses bekannten Verfahrens liegt darin, dass eine sehr genaue Justage relativ zum ersten Laserstrahl vorgenommen werden muss, da üblicherweise Auslenkungen im Nanometerbereich detektiert werden müssen und ist weiterhin darin zu sehen, dass der zweite Laserstrahl, der als Detektionsstrahl dient, nur eine sehr geringe Intensität haben darf, um nicht selbst auch eine optische Falle zu bilden.This can for example take place in that a separate laser beam is used with a shorter wavelength, this laser light, for example, by means of a dichroic filter on and the backscattered light from the beam path of the laser beam forming the trap can also be decoupled again. However, this separate laser beam, which serves as a separate detection beam, must also pass through a beam splitter in order to be directed to the dichroic mirror and also to transmit the returning light on the return path so that this light can fall on the detector and not into the generating laser runs back. The disadvantage of such an arrangement or this known method is that a very precise adjustment relative to the first laser beam must be made, since usually deflections in the nanometer range must be detected and can also be seen in that the second laser beam, which serves as a detection beam, may only have a very low intensity so as not to form an optical trap itself.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren zur Messung der Kraft durch Auswertung des an einem Objekt in der Falle zurückgestreuten Laserlichtes des beleuchtenden Laserstrahls und somit mit einer sogenannten Einstrahl-optischen Pinzette bereitzustellen, welches die vorgenannten Merkmale nicht aufweist, höhere Gesamtintensitäten zur Verfügung stellt, eine hohe Fallenqualität bereitstellt und einer geringeren Justagegenauigkeit bedarf im Vergleich zum Stand der Technik. Aufgabe ist es weiterhin, eine hierfür geeignete optische Pinzette bzw. eine Anordnung aus optischen Elementen zur Bildung einer solchen optischen Pinzette bzw. Falle bereitzustellen.The object of the invention is therefore to provide a method for measuring the force by evaluating the backscattered on an object in the case laser light of the illuminating laser beam and thus with a so-called single-beam optical tweezers, which does not have the aforementioned features, provides higher overall intensities , provides a high trap quality and requires less adjustment accuracy compared to the prior art. The object is furthermore to provide a suitable optical tweezers or an arrangement of optical elements for forming such an optical tweezers or trap.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein zur Erzeugung der optischen Pinzette/Falle eingesetzter, in einer ersten Richtung linear polarisierter Laserstrahl einen polarisierenden Strahlteiler passiert, anschließend ein polarisationsdrehendes Element und ein Objektiv durchläuft, wobei der Laserstrahl durch das polarisationsdrehende Element zirkulär polarisiert und durch das Objektiv fokussiert wird und im Fokusbereich ein Objekt einfängt und wobei weiterhin vom gefangenen Objekt durch das Objektiv zurückgestreutes Licht desselben Laserstrahls das polarisationsdrehende Element in umgekehrter Richtung läuft, durch dieses polarisationsdrehende Element in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung linear polarisiert wird und den polarisierenden Strahlteiler passiert, wobei der polarisierende Strahlteiler den beleuchtenden Laserstrahl und das zurückgestreute Laserlicht trennt und das zurückgestreute Laserlicht mittels des Detektors erfasst wird. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine optische Pinzette/Falle der eingangs genannten Art, die in einem gemeinsamen Bereich des Strahlengangs von einfallendem und zurückgestreutem Laserstrahl einen polarisierenden Strahlteiler und ein diesem in Richtung des beleuchtenden Laserstrahls nachfolgendes polarisationsdrehendes Element umfas'st zur Bildung einer optischen Weiche zwischen einfallender Laserstrahlung und dem am Objekt durch das Objektiv zurückgestreuten Laserlicht desselben Laserstrahls, wobei der Detektor im vom einfallenden Laserlicht getrennten Strahlengang des zurückgestreuten Lichtes angeordnet ist.According to the invention this object is achieved in that a used for generating the optical tweezers / trap, in a first direction linearly polarized laser beam passes through a polarizing beam splitter, then passes through a polarization rotating element and an objective, the laser beam through the polarization rotating element circularly polarized and through the lens is focused and captures an object in the focus area and further wherein the object trapped by the object backscattered light of the same laser beam, the polarization rotating element in the reverse direction is linearly polarized by this polarization rotating element in a second direction perpendicular to the first direction and the polarizing beam splitter happens, wherein the polarizing beam splitter the illuminating laser beam and the backscattered laser light separates and the backscattered laser light is detected by the detector. The object is further achieved by an optical tweezers / trap of the aforementioned type, which in a common region of the beam path of incident and backscattered laser beam a polarizing beam splitter and this in the direction of the illuminating laser beam subsequent polarization rotating element umfas'st to form an optical switch between incident laser radiation and the laser light scattered back on the object by the objective laser light of the same laser beam, wherein the detector is arranged in the separate from the incident laser light beam path of the backscattered light.
Wesentlicher Kerngedanke dieses Verfahrens bzw. der genannten Vorrichtung ist es somit, den ursprünglichen, zur Ausbildung der Falle eingesetzten Laserstrahl ebenso auch als Detektionsstrahl zu nutzen, ohne hierbei einen zwangsläufig abschwächenden Strahlteiler zu verwenden, was hier dadurch realisiert wird, dass der genutzte Strahlteiler gegenüber dem Stand der Technik polarisierende Eigenschaften hat, d.h. das Laserlicht einer ausgezeichneten linearen Polarisationsrichtung den Strahlteiler unabgelenkt durchlaufen kann und Laserlicht einer dazu senkrechten linearen Polarisation von dem Strahlteiler aus der Strahlrichtung heraus reflektiert wird.The essential core idea of this method or of the named device is therefore to use the original laser beam used to form the trap as well as a detection beam without using a necessarily attenuating beam splitter, which is realized here in that the used beam splitter compared to Prior art has polarizing properties, ie the laser light of an excellent linear polarization direction can pass through the beam splitter without being deflected and laser light of a perpendicular linear polarization is reflected by the beam splitter out of the beam direction.
So kann ein derartiger Strahlteiler, der beispielsweise als Strahlteilerwürfel ausgebildet sein kann, als eine optische Weiche dienen für Laserstrahlen von zueinander senkrechten Poiarisationsrichtungen.Thus, such a beam splitter, which may be formed for example as a beam splitter cube, serve as an optical switch for laser beams of mutually perpendicular Poiarisationsrichtungen.
Um hierbei zu erzielen, dass der in die Falle einfallende beleuchtende Laserstrahl eine andere lineare Polarisation aufweist als das aus der Falle am Objekt zurückgestreute Licht am Ort des Strahlteilers ist es hier erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, in Richtung des einfallenden beleuchtenden Laserstrahls nach diesem Strahlteiler ein polarisationsdrehendes Element, wie beispielsweise eine Lambdaviertelplatte einzusetzen, um das ursprüngliche beleuchtende Laserlicht von der ersten linearen Polarisation in eine je nach Drehrichtung des polarisationsdrehenden Elementes entsprechende zirkuläre Polarisation, also beispielsweise eine links- oder eine rechtszirkulare Polarisation zu überführen. Demnach wird durch das nachfolgende Objektiv erfindungsgemäß zirkulär polarisiertes Licht in der optischen Falle bzw. Pinzette im Fokusbereich zum Festhalten eines Objektes eingesetzt, wohingegen im Stand der Technik in üblicher Weise linear polarisiertes Licht zum Einsatz kommt.In order to achieve that the illuminating laser beam incident in the trap has a different linear polarization than the light scattered back from the trap at the object at the location of the beam splitter, it is further provided according to the invention, in the direction of the incident illuminating laser beam after this beam splitter, a polarization-rotating element in that, for example, a lambda quarter plate is used to move the original illuminating laser light from the first linear polarization into a circular polarization corresponding to the direction of rotation of the polarization-rotating element, ie For example, to convert a left or a right circular polarization. Accordingly, according to the invention, circularly polarized light in the optical trap or tweezers in the focus area is used for holding an object by the following objective, whereas linearly polarized light is used in the usual way in the prior art.
Hierdurch ergibt sich bereits gegenüber den üblichen bekannten Methoden ein besonderer Vorteil, da das zirkulär polarisierte Licht eine optische Falle erzeugt, die lateral eine völlig isotrope Fallenstärke aufweist. Im Gegensatz hierzu kann eine optische Falle bzw. Pinzette, basierend auf linear polarisiertem Licht, wie es im Stand der Technik eingesetzt wird, parallel zur Polarisationsrichtung eine andere Fallenstärke aufweisen als senkrecht zur Polarisationsrichtung.This results in a particular advantage over the usual known methods, since the circularly polarized light generates an optical trap having a fully isotropic trapping strength laterally. In contrast, an optical trap or tweezers, based on linearly polarized light, as used in the prior art, parallel to the polarization direction have a different trap strength than perpendicular to the polarization direction.
Das an dem gefangenen Objekt zurückgestreute Licht hat nun aufgrund seiner umgekehrten Ausbreitungsrichtung eine ebenso umgekehrte Zirkularität der Polarisation, wobei dieses zurückgestreute Licht nach Durchlaufen des Objektivs in rückwärtiger Richtung ebenso wieder das eingangs genannte polarisationsdrehende Element, also insbesondere eine Lambdaviertelplatte, durchläuft und aufgrund der umgekehrten zirkulären Polarisation nicht zurücksondern weitergedreht wird, so dass nach dem Passieren dieses Elementes das rückgestreute Licht eine lineare Polarisation aufweist, die bei exakter Justage genau 90 Grad relativ zu der linearen Polarisation des einfallenden Laserstrahls angeordnet ist.The backscattered at the trapped object light has now due to its reverse propagation direction just as reversed circularity of the polarization, this backscattered light after passing through the lens in the rearward direction again the aforementioned polarization-rotating element, ie in particular a quarter-wave plate passes through and due to the inverted circular Polarization is not zurücksondern but further rotated, so that after passing this element, the backscattered light has a linear polarization, which is arranged with exact adjustment exactly 90 degrees relative to the linear polarization of the incident laser beam.
So wird durch den polarisierenden Strahlteiler, der im rückwärtigen Strahlengang nunmehr nach dem polarisationsdrehenden Element folgt, das rückgestreute Licht vom ursprünglich einfallenden Laserlicht getrennt und kann in einem separierten Strahlengang auf den Detektor fallen, wo dieses zurückgestreute Laserlicht erfasst und ein entsprechendes Signal gebildet wird, welches hinsichtlich der Kraft, insbesondere hinsichtlich wenigstens zweier, bevorzugt von drei Dimensionen ausgewertet werden kann. So bildet in dieser Anordnung der polarisierende Strahlteiler und das polarisationsdrehende Element eine optische Weiche, welches den Strahlengang des einfallenden Laserlichtes vom Strahlengang des zurückgestreuten Laserlichtes am Ort des Strahlteilers auftrennt.Thus, the backscattered light is separated from the originally incident laser light by the polarizing beam splitter, which now follows the polarization-rotating element in the rear beam path and can fall in a separate beam path on the detector, where this backscattered laser light detected and a corresponding signal is formed, which with regard to the force, in particular with regard to at least two, preferably of three dimensions can be evaluated. Thus, in this arrangement, the polarizing beam splitter and the polarization-rotating element form an optical switch, which separates the beam path of the incident laser light from the beam path of the backscattered laser light at the location of the beam splitter.
Dies kann in einer bevorzugten Ausführung derart vorgesehen sein, dass das in der ersten Richtung linear polarisierte Laserlicht den polarisierenden Strahlteiler in Transmission durchläuft und das zurückgestreute Laserlicht von dem polarisierenden Strahlteiler reflektiert wird. Selbstverständlich ist es in analoger Weise möglich, die Anordnung umgekehrt bezüglich der beiden Strahlengänge auszurichten.This can be provided in a preferred embodiment such that the linearly polarized in the first direction laser light passes through the polarizing beam splitter in transmission and the backscattered laser light is reflected by the polarizing beam splitter. Of course, it is possible in an analogous manner to align the arrangement inversely with respect to the two beam paths.
Der polarisierende Strahlteiler hat hierbei gegenüber den üblichen Strahlteilern den besonderen Vorteil, dass bei der zuvor genannten Ausführung des Strahlteilers in Transmission für den beleuchtenden Laserstrahl dieses Laserlicht ohne nennenswerte Verluste im Wesentlichen zu einem Anteil von größer 95% den Strahlteiler durchläuft und das zurückgestreute Laserlicht zu einem Anteil von größer 95%, gegebenenfalls größer 98% reflektiert. Intensitätsverluste durch ein derartiges polarisierendes Strahlteilerelement sind demnach in dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen optischen Pinzette vernachlässigbar, so dass gegenüber den Anordnungen im Stand der Technik deutlich höhere Intensitäten des rückgestreuten Lichtes am Detektor vorliegen.The polarizing beam splitter has the particular advantage over conventional beam splitters that, in the aforementioned embodiment of the beam splitter in transmission for the illuminating laser beam, this laser light substantially passes through the beam splitter to a proportion of greater than 95% and the backscattered laser light becomes one Share of greater than 95%, optionally greater than 98% reflected. Intensity losses due to such a polarizing beam splitter element are therefore negligible in the method according to the invention or the optical tweezers according to the invention, so that, compared with the arrangements in the prior art, significantly higher intensities of the backscattered light are present at the detector.
Die Intensität des auf dem Detektor auftreffenden Lichtes liegt somit bei diesem Verfahren nur wenige Prozent unter dem Anteil des netto am gefangenen Objekt zurückgestreuten Lichtes, insbesondere wobei die Verluste typischerweise im Bereich von wenigen Prozent liegen, wohingegen bei den bekannten Methoden im Stand der Technik die Intensitäten auf weniger als ein Viertel abgeschwächt würden, nämlich auf die Hälfte beim ersten Durchtritt durch den Strahlenteiler und nochmals um die Hälfte beim wiederholten Durchtritt des rückgestreuten Lichtes zuzüglich gegebenenfalls weiterer Reflektions- und Absorptionsverluste. Bei einem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass im Strahlengang sowohl des beleuchtenden Laserstrahls als auch des rückgestreuten Laserlichtes ein Teleskop, insbesondere ein und dasselbe Teleskop eingesetzt wird, welches z.B. aus Linsen oder auch aus Hohlspiegeln aufgebaut sein kann. Ein derartiges Teleskop ist dafür vorgesehen, um den einfallenden Laserstrahl zur Erzeugung der optischen Falle vor dem Durchlaufen des Objektivs aufzuweiten. Bei einer optischen Pinzette sollte dabei der Laserstrahl einen Durchmesser besitzen, der etwa 20 - 50% größer ist als die rückwärtige Apertur des verwendeten Fallenobjektivs. Hierzu muss der Laserstrahl in typischen Fällen auf etwa 10 Millimeter aufgeweitet werden, was hier jedoch lediglich als Beispiel und nicht einschränkend für die Erfindung zu verstehen ist.The intensity of the incident light on the detector is therefore only a few percent less than the proportion of the light scattered back to the trapped object, especially where the losses are typically in the range of a few percent, whereas in the prior art methods the intensities would be attenuated to less than a quarter, namely half of the first passage through the beam splitter and again by half in the repeated passage of the backscattered light plus any further reflection and absorption losses. In a method or the device according to the invention it can be provided that in the beam path both the illuminating laser beam and the backscattered laser light, a telescope, in particular one and the same telescope is used, which may be constructed, for example, of lenses or from concave mirrors. Such a telescope is intended to widen the incident laser beam to produce the optical trap before passing through the lens. In the case of optical tweezers, the laser beam should have a diameter which is approximately 20-50% larger than the rear aperture of the trapping objective used. For this purpose, the laser beam must be widened in typical cases to about 10 millimeters, which is to be understood here only as an example and not limiting for the invention.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der polarisierende Strahlteiler dort in den Strahlengang eingebracht wird, wo der Laserstrahl bereits aufgeweitet wurde, d.h. nach einer derartigen Teleskopanordnung. In einem solchen Fall kann es vorgesehen sein, dass als Detektor zur Erfassung des rückgestreuten Lichtes ein Vierquadrantendetektor eingesetzt wird, um die Messung der Kraft vorzunehmen.In this case, provision may be made for the polarizing beam splitter to be introduced into the beam path where the laser beam has already been widened, i. after such a telescope arrangement. In such a case it can be provided that a four-quadrant detector is used as the detector for detecting the backscattered light in order to carry out the measurement of the force.
In einer demgegenüber bevorzugten Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, den polarisierenden Strahlteiler zwischen dem erzeugenden Laser und dem aufweitenden Teleskop anzuordnen. Hierbei wirkt die Teleskopanordnung somit für den einfallenden, die Falle bildenden Laserstrahl strahiaufweitend unter Verringerung der Divergenz, wohingegen für das rückgestreute Licht diese Teleskopanordnung strahlverkleinernd wirkt unter gleichzeitiger Vergrößerung der Auslenkungen, die das rückgestreute Licht an dem gefangenen Objekt erfahren hat.In a contrast preferred embodiment, however, it may also be provided to arrange the polarizing beam splitter between the generating laser and the expanding telescope. In this case, the telescope arrangement thus acts for the incident, forming the trap laser beam straightening while reducing the divergence, whereas for the backscattered light telescope this arrangement reduces the beam while increasing the deflections that has experienced the backscattered light on the trapped object.
So verstärkt demnach diese Teleskopanordnung die laterale Auslenkung des rückgestreuten Lichtes, um den Vergrößerungsfaktor des aufweitenden Systems im einfallenden Laserlichtstrahlengang, was die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber kleinsten Auslenkungen des gefangenen Objektes und somit auch die Kraftauflösung erhöht. Der hierbei auf den Detektor auftreffende Lichtfleck des rückgestreuten Lichtes ist nahezu exakt um den Vergrößerungsfaktor der Strahlaufweitung verkleinert, die laterale Auslenkung jedoch fast um ebenso diesen Faktor vergrößert.Thus, this telescope arrangement thus amplifies the lateral deflection of the backscattered light by the magnification factor of the expanding system in the incident laser light beam path, which increases the sensitivity of the detector to the smallest deflections of the trapped object and thus also the force resolution. The light spot of the backscattered light incident on the detector in this case is reduced almost exactly by the magnification factor of the beam widening, but the lateral deflection is increased by almost exactly this factor as well.
Daher ist es bei einer derartigen Anordnung bevorzugt vorgesehen, statt eines Quadrantendetektors einen Lineardetektor einzusetzen, der mit seiner empfindlichen Detektorfläche die üblichen lateralen Auslenkungen des rückgestreuten Strahls erfasst und der bevorzugt über seinen gesamten Detektionsbereich ein Signal erzeugt, dass proportional zur lateralen Auslenkung des Strahls ist. Aus diesem Signal kann auf die Kraft bzgl. Betrag und Richtung zurückgeschlossen werden.Therefore, it is preferably provided in such an arrangement, instead of a quadrant detector to use a linear detector, which detects the usual lateral deflections of the backscattered beam with its sensitive detector surface and preferably generates over its entire detection range a signal that is proportional to the lateral deflection of the beam. This signal can be used to deduce the force in terms of magnitude and direction.
Um störende Restreflektionen an der dem Objektiv zugewandten Fläche des polarisationsdrehenden Elementes, wie beispielsweise der Lambdaviertelplatte zu vermeiden, kann es bevorzugt vorgesehen sein, dieses Element im Strahlengang leicht zu verkippen, mindestens so, dass Rückreflektionen außerhalb des Detektorbereichs liegen.In order to avoid disturbing residual reflections on the surface of the polarization-rotating element facing the lens, for example the lambda quarter plate, it can preferably be provided to slightly tilt this element in the beam path, at least so that back reflections are outside the detector range.
Mit der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Methode bzw. Vorrichtung zur Messung der auf ein gefangenes Objekt wirkenden Kraft kann auch die Kraft in Z- Richtung, d.h. in Richtung der optischen Achse des einfallenden Laserlichtes eines gefangenen Objektes erfasst werden. Hierzu kann beispielsweise die Gesamtintensität des auf den Detektor auftreffenden Lichtes gemessen und mit einer Referenz verglichen werden, wenn keine äußere Kraft in Z-Richtung auf das gefangene Objekt wirkt.With the inventive method or apparatus for measuring the force acting on a trapped object as described herein, the force in the Z direction, i. in the direction of the optical axis of the incident laser light of a trapped object. For this purpose, for example, the total intensity of the incident light on the detector can be measured and compared with a reference, if no external force in the Z direction acts on the captured object.
Wirkt beispielsweise eine Kraft in Z-Richtung, die das Objektiv etwas nach oben oder unten aus der Falle auslenkt, so wird der Winkel des Strahlkegels des zurückgestreuten Lichtes etwas verkleinert bzw. vergrößert, was dazu führt, dass das Fallenobjektiv mehr oder weniger gut gestreutes Licht auffangen kann, da hierdurch weniger oder mehr gestreutes Licht durch die Kanten der Objektivlinsen und die rückwärtige Apertur des Objektivs abgeblendet wird. Dies führt zu einer Erhöhung oder eben Verringerung der Intensität des rückgestreuten Lichtes, was ausgewertet werden kann, um auf die Kraft bzw. die Richtung der wirkenden Kraft zu schließen.For example, if a Z-direction force deflects the lens somewhat up or down out of the trap, the angle of the beam cone of the backscattered light will be somewhat reduced or increased, resulting in the trap lens being more or less well-scattered light As a result, less or more scattered light through the edges of the objective lenses and the rear aperture of the lens dimmed. This results in an increase or even reduction in the intensity of the backscattered light, which can be evaluated to infer the force or direction of the acting force.
Neben den dargelegten Vorteilen ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung darüber hinaus auch sehr justageunanfällig, da die Justage auch bei einer Bewegung des Objektivs, beispielsweise bei einer Fokussierung, wie in einem inversen Mikroskop erhalten bleibt.In addition to the advantages set out, the method according to the invention or the device is also very unadjustable to adjustment, since the adjustment is maintained even during a movement of the objective, for example during a focusing, as in an inverted microscope.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Anordnung des polarisierenden Strahlteilers zwischen dem das Laserlicht erzeugenden Laser und den Elementen zur Strahlaufweitung des einfallenden Laserstrahls ist es, dass bei einer solchen Anordnung in bevorzugter Ausgestaltung der Abstand des Detektors zum Objektiv oder Fokus gleich eingestellt werden kann, wie der Abstand des Objektivs oder Fokus zu einem Drehpunkt einer Pendelbewegung des beleuchtenden Laserstrahls.Another particular advantage of the arrangement of the polarizing beam splitter between the laser light generating laser and the elements for beam expansion of the incident laser beam is that in such an arrangement in a preferred embodiment, the distance of the detector to the lens or focus can be set the same as the distance of the lens or focus to a pivot point of a pendulum motion of the illuminating laser beam.
So ist es bekannt, dass ein Laserstrahl, der durch einen Laser erzeugt wird, keine exakt konstante Ausbreitungsrichtung aufweist, sondern eine Pendelbewegung durchführt, wobei diese Pendelbewegung um einen Drehpunkt herum erfolgt. Bei dieser Bewegung spricht man auch von der sogenannten Beampoint-Instability des Lasers. Eine solche Pendelbewegung kann demnach auch zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen.Thus, it is known that a laser beam generated by a laser does not have an exactly constant propagation direction, but performs a pendulum motion, this pendulum motion being around a pivot point. This movement is also referred to as the so-called beampoint instability of the laser. Such a pendulum movement can therefore also lead to a falsification of the measurement results.
Durch die hier genannte Abstandssymmetrie kann dabei erreicht werden, dass der Drehpunkt der Pendelbewegung des rückgestreuten Lichtes exakt auf dem Detektor zu liegen kommt, wodurch sich die Beampoint-Instability des erzeugenden Lasers nicht mehr bemerkbar macht und somit die Auflösung und Qualität der Kraftmessung entscheidend gesteigert werden kann. Die Vorteile des hier genannten Verfahrens bzw. der optischen Pinzette sind zusammengefasst, dass nunmehr gemäß dieser Erfindung nicht mehr ein zweiter, schwer zu justierender Detektionsstrahl benötigt wird, demnach auch keine zweite optische Falle erzeugt wird und es auch nicht mehr zu einer signifikanten Absprechung der eingesetzten Laserstrahlen aufgrund des verwendeten Strahlteilers kommt, da dieser erfindungsgemäß polarisierend ausgeführt ist.By the distance symmetry mentioned here can be achieved that the fulcrum of the pendulum movement of the backscattered light comes to rest exactly on the detector, which makes the beampoint instability of the generating laser no longer noticeable and thus the resolution and quality of force measurement are significantly increased can. The advantages of the method mentioned here and the optical tweezers are summarized that according to this invention no longer a second, difficult to be adjusted detection beam is required, therefore, no second optical trap is generated and it no longer to a significant agreement of the used Laser beams due to the beam splitter used, since this is performed according to the invention polarizing.
Darüber hinaus hat ein Verfahren der hier beschriebenen Art zur Auswertung des rückgestreuten Lichtes auch die Vorteile, dass gegenüber anderen Verfahren, die Messungen anhand des nach dem gefangenen Objektes transmittierten Lichtes vornehmen, nunmehr keine justierenden Messvorrichtungen über der optischen Falle benötigen. Der Raum über einer optischen Falle bleibt somit frei für beliebig wählbare experimentelle Aufbauten.In addition, a method of the type described herein for evaluating the backscattered light also has the advantages that compared to other methods that make measurements on the basis of the light transmitted to the trapped object, now need no adjusting measuring devices on the optical trap. The space above an optical trap thus remains free for arbitrary experimental setups.
Bei der hier vorgeschlagenen Erfindung führt weiterhin auch die Bewegung des Fallenobjektivs nicht mehr zu einer Nachjustierung, die ansonsten erforderlich wäre, wenn bei einer Kraftmessung in Transmission nach dem Objekt ein weiteres, für die Messung vorgesehenes Objektiv eingesetzt werden müsste, welches stets konfokal mit dem anderen Objektiv anzuordnen wäre. Somit entfallen gegenüber einer solchen konfokalen Anordnung jegliche Beeinträchtigung, beispielsweise aufgrund mechanischer Schwingungen.In the case of the invention proposed here, the movement of the trapping objective no longer leads to readjustment, which would otherwise be required if, in the case of a force measurement in transmission after the object, another objective provided for the measurement would have to be used, which is always confocal with the other Lens to arrange would be. Thus, with respect to such a confocal arrangement eliminates any impairment, for example, due to mechanical vibrations.
Verfälschungen des Messergebnisses durch Schmutzteiichen, die sich bei einer vorwärtsgestreuten Kraftmessung nachteilig auswirken, entfallen, da diese Schmutzteilchen, die sich üblicherweise an der Oberseite des gefangenen Objektes aufgrund des Strahlungsdrucks sammeln, für eine Messung mit Rückstreuung ohne Belang bleiben. Gerade der symmetrische Aufbau, wie eingangs genannt, mit Bezug auf den Drehpunkt des Lasers bzw. dessen Beampointinstability verbessert dabei ganz entscheidend die Kraftauflösung und somit sowohl die Messung der Richtung der Kraft in bis zu drei Dimensionen ebenso wie die Messung des Betrags der Kräfte in diesen Dimensionen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zu einem bekannten Stand der Technik zeigen die nachfolgenden Figuren. Es zeigenFalsifications of the measurement result by Schmutzteiichen, which adversely affect in a forward scattered force measurement, omitted, since these dirt particles, which usually collect at the top of the captured object due to the radiation pressure, for a measurement with backscatter irrelevant. Just the symmetrical structure, as mentioned above, with respect to the pivot point of the laser or its Beampointinstability thereby decisively improves the force resolution and thus both the measurement of the direction of the force in up to three dimensions as well as the measurement of the amount of forces in these dimensions. An embodiment of the invention in comparison with a known prior art show the following figures. Show it
Figur 1 eine Anordnung zur Messung der Kraft mit rückwärts gestreutemFigure 1 shows an arrangement for measuring the force with backscattered
Licht eines zweiten separaten Detektionsstrahls Figur 2 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßenLight of a second separate detection beam Figure 2 shows an arrangement for carrying out the inventive
Verfahrensprocess
Die Figur 1 zeigt hier einen typischen Aufbau einer optischen Falle, gebildet aus einem Laserstrahl 1 , der hier durch einen Strahlteiler 2 ein Objektiv 3 durchläuft, um durch dieses fokussiert zu werden und im Fokusbereich 4 eine optische Falle zum Einfangen eines hier nicht dargestellten Objektes zu bilden. Durch einen seitlichen Strahlengang wird ein Laserstrahl 5 zunächst durch einen Strahlteiler 6 und den eingangs genannten Strahlteiler 2 parallel in den Strahlengang des die Falle erzeugenden Laserstrahls 1 eingekoppelt und verläuft ebenso durch das Fallenobjektiv 3 und somit durch die gebildete optische Falle, wo dieser Detektionsstrahl 5 ebenso auf das gefangene Objekt trifft und an diesem rückgestreut wird.FIG. 1 shows a typical structure of an optical trap formed by a laser beam 1, which here passes through a lens 3 through a beam splitter 2 in order to be focused through it and in the focal region 4 to an optical trap for capturing an object not shown here form. By a lateral beam path, a laser beam 5 is first coupled in parallel by a beam splitter 6 and the beam splitter 2 mentioned in the beam path of the laser beam generating the trap 1 and also passes through the trap lens 3 and thus through the formed optical trap, where this detection beam 5 as well meets the captured object and is back-scattered at this.
Das rückgestreute Licht wird wiederum nach Durchlaufen des Fallenobjektivs am Strahlteiler 2 zurückreflektiert, durchläuft den Strahlteiler 6, gegebenenfalls einen nachfolgenden Filter und fällt auf einen Detektor 7 zwecks Aufnahme eines Detektionssignals und Auswertung zur Bestimmung der Kräfte. Die hier dargestellte Anordnung weist ersichtlich die Nachteile von zwei Strahlteilern 2 und 6 auf, an denen jeweils erhebliche Reflektionsverluste entstehen, wobei weiterhin der zusätzliche Detektionslaserstrahl 5 gegebenenfalls eine zweite optische Falle generiert, die das Messergebnis verfälscht. Darüber hinaus muss der Strahlengang des Detektionsstrahls 5 höchst genau gegenüber dem Strahlengang des Laserstrahls 1 justiert werden, um diese Messvorrichtung zu betreiben. Demgegenüber zeigt die Figur 2 einen Aufbau zur Bildung einer erfindungsgemäßen optischen Pinzette bzw. Falle und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The backscattered light is in turn reflected back after passing through the trap lens at the beam splitter 2, passes through the beam splitter 6, optionally a subsequent filter and incident on a detector 7 for receiving a detection signal and evaluation for determining the forces. The arrangement shown here clearly shows the disadvantages of two beam splitters 2 and 6, at each of which significant reflection losses occur, wherein furthermore the additional detection laser beam 5 optionally generates a second optical trap which falsifies the measurement result. In addition, the beam path of the detection beam 5 must be adjusted very accurately with respect to the beam path of the laser beam 1 in order to operate this measuring device. In contrast, Figure 2 shows a structure for forming an optical tweezers or case according to the invention and for carrying out the method according to the invention.
Erkennbar ist hier, dass ein Laserstrahl 1 , der einzige Laserstrahl bei diesem Aufbau, der mit einer beispielhaften P-Polarisierung den polarisierenden Strahlteiler 2 ungehindert durchdringt und mit dieser P-Polarisierung eine nachfolgend angeordnete Lambdaviertelplatte 8 durchläuft, die derart einjustiert ist, dass der einfallende Laserstrahl nunmehr in diesem Ausführungsbeispiel rechtszirkular polarisiert ist.It can be seen here that a laser beam 1, the only laser beam in this structure, which passes through the polarizing beam splitter 2 unhindered with an exemplary P polarization and passes through a subsequently arranged lambda quarter plate 8 with this P polarization, which is adjusted so that the incident Laser beam is right circular polarized now in this embodiment.
Das so zirkulär polarisierte Laserlicht 1 durchläuft anschließend das Fallen- Objektiv 3, wird hierbei fokussiert und bildet somit die optische Falle zum Einfangen eines hier nicht dargestellten Objektes in der Fokusebene F. Das an einem gefangenen Objekt rückgestreute Licht durchläuft ebenso in einem rückwärtigen Strahlengang das Fallen-Objektiv 3, ist aufgrund der exakt umgekehrten Ausbreitungsrichtung nunmehr linkszirkular polarisiert, durchläuft im rückwärtigen Strahlengang die Lambdaviertelplatte 8, so dass sich hiernach eine S-polarisierte lineare Polarisation des rückgestreuten Lichtes ergibt.The circularly polarized laser light 1 then passes through the trap lens 3, is thereby focused and thus forms the optical trap for capturing an object, not shown here in the focal plane F. The backscattered on a trapped object light also passes through in a rear beam path falling Objective 3, is now polarized left circular due to the exact reverse propagation direction, passes through the lambda quarter plate 8 in the rearward optical path, so that thereafter results in an S-polarized linear polarization of the backscattered light.
Das rückgestreute Licht und das ursprünglich eingestrahlte Laserlicht desselben Lasers weisen demnach zueinander senkrecht stehende Polarisationen auf, was bedeutet, dass das nunmehr in S-Poiarisation iinear polarisierte rückgestreute Licht am polarisierenden Strahlteiler 2 aus dem Strahlengang heraus reflektiert wird in Richtung des in dieser Darstellung rechts neben dem Strahlteilerwürfel angeordneten Detektor 7. Dabei kann das rückgestreute Licht auch noch einen Filter 9 durchlaufen zum Abblocken von Umgebungslicht, welches nur das rückgestreute Licht passieren lässt.The backscattered light and the originally irradiated laser light of the same laser therefore have polarizations which are perpendicular to one another, which means that the backscattered light which is now polarized in S polarization is reflected at the polarizing beam splitter 2 out of the beam path in the direction of the right side in this illustration In this case, the backscattered light can also pass through a filter 9 for blocking ambient light, which only allows the backscattered light to pass.
Erkennbar ist hier der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, nach der der polarisierende Strahlteiler in Verbindung mit der Lambdaviertelplatte eine optische Weiche ausbildet zur Trennung des ursprünglich einfallenden Laserlichtes für die Ausbildung der optischen Falle und des rückgestreuten Lichtes, ohne nennenswerte Reflektionsverluste, die sich allenfalls im Bereich weniger Prozent aufgrund von Oberflächenverlusten belaufen. Somit weist eine derartige Anordnung der Figur 2 gegenüber einer solchen der Figur 1 im Stand der Technik eine geringere Justageempfindlichkeit auf und bietet höhere Intensitäten, die der Messung zugrunde gelegt werden können. Visible here is the particular advantage of the arrangement according to the invention, according to which the polarizing beam splitter in conjunction with the lambda quarter plate forms an optical switch for separating the originally incident Laser light for the formation of the optical trap and the backscattered light, without significant reflection losses, which amount to only a few percent at most due to surface losses. Thus, such an arrangement of Figure 2 over that of Figure 1 in the prior art has a lower adjustment sensitivity and offers higher intensities, which can be used for the measurement.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Messung der Kraft, die auf ein in einer optischen Pinzette/Falle gefangenes Objekt wirkt, bei dem von dem gefangenen Objekt durch das Objektiv der optischen Pinzette/Falle zurück gestreutes Licht mit einem Detektor erfasst und aus dem Detektorsignal die Kraft bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Erzeugung der optischen Pinzette / Falle eingesetzter in einer ersten Richtung linear polarisierter Laserstrahl (1) einen polarisierenden Strahlteiler (2) passiert, anschließend ein polarisationsdrehendes Element (8) und ein Objektiv (3) durchläuft, wobei der Laserstrahl (1) durch das polarisationsdrehende Element (8) zirkulär polarisiert und durch das Objektiv (3) fokussiert wird und im Fokusbereich ein Objekt einfängt und wobei weiterhin vom gefangenen Objekt durch das Objektiv (3) zurück gestreutes Licht desselben Laserstrahls (1) das polarisationsdrehende Element (8) in umgekehrter Richtung durchläuft, durch dieses polarisationsdrehende Element (8) in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung linear polarisiert wird und den polarisierenden Strahlteiler (2) passiert, wobei der polarisierende Strahlteiler (2) den beleuchtenden Laserstrahl (1) und das zurückgestreute Laserlicht trennt und das zurückgestreute Laserlicht mittels des Detektor (7) erfasst wird.A method of measuring the force acting on an object caught in an optical tweezer / trap wherein light scattered back from the trapped object by the optical tweezer / trap lens is detected with a detector and the force is determined from the detector signal characterized in that a laser beam (1) linearly polarized in a first direction for generating the optical tweezers / trap passes a polarizing beam splitter (2), then passes through a polarization rotating element (8) and a lens (3), the laser beam (1) is circularly polarized by the polarization-rotating element (8) and focused by the objective (3) and captures an object in the focal region and further wherein light from the trapped object through the lens (3) backscattered light of the same laser beam (1) the polarization-rotating element (8) passes in the reverse direction, through this polarization rotating element (8) in a second direction is linearly polarized perpendicular to the first direction and passes the polarizing beam splitter (2), wherein the polarizing beam splitter (2) the illuminating laser beam (1) and the backscattered laser light separates and the backscattered laser light is detected by the detector (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in der ersten Richtung linear polarisierte Laserlicht (1) den polarisierenden Strahlteiler (2) in Transmission durchläuft und das zurückgestreute Laserlicht von dem polarisierenden Strahlteiler (2) reflektiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in the first direction linearly polarized laser light (1) passes through the polarizing beam splitter (2) in transmission and the backscattered laser light from the polarizing beam splitter (2) is reflected.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des beleuchtenden Laserstrahls (1) nach dem polarisierenden Strahlteiler (2) ein den Laserstrahl aufweitendes optisches System angeordnet ist, welches in umgekehrter Richtung vom reflektierten Laserlicht durchlaufen wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the beam path of the illuminating laser beam (1) after the polarizing beam splitter (2) a laser beam expanding optical system is arranged, which is traversed in the reverse direction of the reflected laser light.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektor (7) ein Lineardetektor eingesetzt wird, dessen Signal linear abhängt von einer Auslenkung des reflektierten Laserlichtes, insbesondere gegenüber einer unabgelenkten Referenzposition.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a linear detector is used as the detector (7) whose signal depends linearly on a deflection of the reflected laser light, in particular with respect to an undeflected reference position.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Detektor (7) die Gesamtintensität des zurückgestreuten Laserlichtes gemessen und aus dieser eine Kraft in oder entgegen der Richtung / Z-Richtung des beleuchtenden Laserstrahls in der Fall / Pinzette bestimmt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the total intensity of the backscattered laser light is measured by the detector (7) and from this a force in or against the direction / Z direction of the illuminating laser beam in the case / tweezers is determined.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Detektors (7) zum Objektiv (3) oder Fokus gleich eingestellt wird zum Abstand des Objektivs (3) oder Fokus zu einem Drehpunkt einer Pendelbewegung des beleuchtenden Laserstrahlung.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance of the detector (7) to the lens (3) or focus is set equal to the distance of the lens (3) or focus to a pivot point of a pendulum movement of the illuminating laser radiation.
7. Optische Pinzette/Falle umfassend ein Objektiv (3) zur Fokussierung einer Laserstrahlung (1) für das Einfangen eines Objektes im Fokusbereich dieser Laserstrahlung (1) sowie mit einem Detektor (7) zur Erfassung eines Detektorsignals, welches das von einem Objekt durch das Objektiv (3) auf den Detektor (7) zurück gestreute Laserlicht erzeugt, wobei anhand des Detektorsignals eine auf ein Objekt wirkende Kraft bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem gemeinsamen Bereich des Strahlengangs von einfallendem und zurückgestreuten Laserstrahl einen polarisierenden Strahlteiler (2) und ein diesem in Richtung des beleuchtenden Laserstrahles (1) nachfolgendes polarisationsdrehendes Element (8) umfasst zur Bildung einer optischen Weiche zwischen einfallender Laserstrahlung (1) und dem am Objekt durch das Objektiv (3) zurück gestreuten Laserlicht, wobei der Detektor (7) im vom einfallen Laserlicht (1) getrennten Strahlengang des zurückgestreuten Lichts angeordnet ist. 7. Optical tweezers / trap comprising a lens (3) for focusing a laser radiation (1) for capturing an object in the focal region of this laser radiation (1) and with a detector (7) for detecting a detector signal, which of an object through the Lens (3) to the detector (7) backscattered laser light generated, wherein based on the detector signal acting on an object force can be determined, characterized in that they in a common region of the beam path of incident and backscattered laser beam, a polarizing beam splitter (2) and a polarization - rotating element (8) which follows this in the direction of the illuminating laser beam (1) comprises an optical switch between incident laser radiation (1) and the laser light scattered back at the object by the objective (3), the detector (7) is arranged by the incident laser light (1) separate beam path of the backscattered light.
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