Kombinierte Simulation von Fresnelbeugung und Miestreuung zur Partikelcharakterisierung in fließenden Suspensionen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Partikelcharakterisierung durch Vermessung der Streustrahlung. Dazu wird auf die Theorien der Miestreuung und des Talbot-Effektes zurückgegriffen. Die betrachteten Partikel haben dabei einen Durchmesser von 1 bis 100 µm. Es wird ein Modell entwickelt, mit welchem die Störung der Selbstabbildung einer periodischen Struktur durch ein sphärisches Streuzentrum simuliert werden kann. Umgesetzt wird die kombinierte Simulation mit den Softwareumgebungen MATLAB® und VirtualLabTM. Im letzten Teil der Arbeit erfolgen ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der Experimente und Simulationen sowie eine Untersuchung der aufgetretenen Diskrepanzen, bevor auf eine mögliche Optimierung des Modells bezüglich einer genaueren Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis eingegangen wird.Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 201

Application-specific optical tweezers

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

Universeller Messaufbau zur ortsaufgelösten Charakterisierung von Dünnschichtinterferenzsystemen

The available work concerns itself with the constructional design and the testing of a universal measurement setup, which makes a localdissolved characterisation of thin film interference systems in connection with a multi-channel spectrophotometer possible. For the spectrophotometric investigation of such interference filters the fundamental physical mechanisms of the thin film optics are compiled, so that the measured values received with experimental testing are scientifically analyzable. It is dealt in detail with instrumentation as well as optical connections. At the end an estimate of the spectral and photometric accuracy of the used spectrophotometer is made.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem konstruktiven Entwurf und der Erprobung eines universellen Messaufbaus, welcher in Verbindung mit einem Mehrkanalspektralfotometer eine ortsaufgelöste Charakterisierung von Dünnschichtinterferenzsystemen ermöglicht. Für die spektralfotometrische Untersuchung solcher Interferenzfilter werden die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge der Dünnschichtoptik erarbeitet, damit die bei der experimentellen Erprobung erhaltenen Messwerte wissenschaftlich analysierbar sind. Es wird detailiert auf messtechnische sowie optische Zusammenhänge eingegangen. Am Ende wird eine Einschätzung der spektralen und fotometrischen Genauigkeit des verwendeten Spektralfotometers vorgenommen

Optical tweezers affected by monochromatic aberrations

Standard optical tweezers are often built as inverted microscopes consisting of reflective, diffractive or refractive optical components. These optical elements are used to adapt the laser beam size, shape the beam profile and finally to generate the optical trap. Each optical component potentially suffers from various aberrations. In this contribution we investigate the effect of aberrations on the trapping performance

A fast and scalable algorithm for the Monte Carlo simulation of elastic scattering in perturbed media

Monte Carlo (MC) simulations are frequently used to describe random processes. An important application is multiple Mie scattering in perturbed media. To significantly reduce execution time and increase the statistical accuracy of the MC simulations we have implemented a concurrent algorithm running on graphics processing units. We comment on execution time and scalability

Optisches System für die Manipulation mikroskopischer Objekte in gasförmiger Umgebung

In diesem Bericht präsentieren wir ein optisches Pinzettensystem für die dreidimensionale Manipulation mikroskopischer Objekte in einer gasförmigen Umgebung. Das Ziel ist die Integration der optischen Pinzette in eine Nanopositioniermaschine. Basierend auf einer strahlenoptischen Beschreibung wird das System in einem iterativen Designprozess berechnet und optimiert sowie durch unterschiedliche Fertigungsverfahren hergestellt und anschließend optisch charakterisiert

3D Mie-Streuung in Simulation und Streulichtexperiment

Die Lichtausbreitung durch streuende Medien ist für zahlreiche Anwendungsgebiete von großem Interesse. Da die rigorose Berechnung sehr aufwendig ist, wird eine massiv parallelisierte Methode zur dreidimensionalen Simulation basierend auf der Mie-Theorie vorgestellt. Die Ergebnisse werden mit einem geeigneten Streulichtexperiment verglichen

Optische Manipulation sphärischer Partikel in Luft

Die völlige Abwesenheit von Adhäsionskräften zwischen Objekt und optischer Pinzette stellt einen immensen Vorteil gegenüber mechanischen Halte-Werkzeugen dar. Für Anwendungen im Micro-Assembly Bereich wird ein optisches System vorgestellt, welches mikroskopische Partikel in einer gasförmigen Umgebung berührungslos fangen, halten und loslassen kann

Hocheffiziente Simulation von Mehrfachstreuprozessen auf Basis der Mie-Theorie für die optische Sensorik

Wir stellen eine Methode vor, wie die Lichtausbreitung in Medien effizient berechnet werden kann. Hierzu setzen wir programmierbare Grafikprozessoren ein. Die Simulation wird anhand experimenteller Messergebnisse an unterschiedlich streuenden Diffusoren validiert