Logo PTB
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Direkte Messung des negativen Lichtdrucks mittels der PTB-Nanonewton-Kraftmesseinrichtung

20.12.2018

Die Entwicklung von Methoden zur Manipulation und zur Bildung von Makro-, Mikro- und Nanoobjekten mit Hilfe von durch Laserstrahlung erzeugten, lichtinduzierten Kräften sind für moderne Technologien von großem Interesse. Derzeitig werden diese Kräfte in modernen Laserpinzetten (optical tweezer) genutzt, um hiermit überwiegend dielektrische Partikel zu bewegen. Die Manipulation von Metallpartikeln größer als einhundert Nanometer ist mit modernen Laserpinzetten nicht möglich. Kürzlich wurde eine neue lichtinduzierte Anziehungskraft vorhergesagt, die einer negativen Lichtdruckkraft entspricht [1, 2] und die Möglichkeit eröffnet, auch derartige Metallpartikeln zu manipulieren. Dem Modell nach tritt diese Kraft auf, wenn polarisiertes Licht durch einen Spalt tritt, den zwei makroskopische Metallkörper bilden, deren Abstand kleiner als die halbe Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes ist. Sie kann genutzt werden, um auch metallische Makro-, Mikro- und Nanoobjekte im Vakuum, in Luft oder in Flüssigkeiten zu bewegen. Eine weitere mögliche Anwendung wäre beispielsweise die Entwicklung von optisch schaltbaren elektrischen Kontakten. Eine Abschätzung der Größenordnung dieser lichtinduzierten Anziehungskraft zeigt, dass praktische Anwendungen möglich wären [1, 2]. In diesem Bericht wird das Experiment zum Nachweis der theoretisch vorhergesagten lichtinduzierten Anziehungskraft zwischen zwei metallischen Platten mit einem Subwellenlängenspalt beschrieben. Durch die Messung der Kraft in Abhängigkeit von der Spaltbreite, lassen sich die Messdaten mit der theoretischen Vorhersage vergleichen. Die lichtinduzierte Anziehungskraft FTM für einen Gaußstrahl ergibt sich nach der Theorie [1-5] durch:



(mit P = 50 mW Leistung des einfallenden Laserlichts; |H(0,0)|2 dem normierten Quadrat der magnetischen Feldstärkeamplitude im Zentrum des Spalts [1-5]; λ = 1550 nm der Wellenlänge des Lichts; ε1 = -132 und ε2 = 12,6 dem Realteil bzw. Imaginärteil der Permittivität von Gold; c der Lichtgeschwindigkeit; ω = 4 µm dem Radius des Gaußstrahls der auf den Spalt fällt und dmin der Breite des Spalts. Das Hauptziel der Messstrategie war die Minimierung der Störeffekte durch Temperaturänderungen, die aufgrund nicht-stationärer Erwärmung der Platten in der Nanokraftmesseinrichtung durch den krafterzeugenden Laserstrahl auftreten. Für Plattenabstände ≤ λ/π sollte die lichtinduzierte Kraft laut Theorie für kleine Abstände zunehmen.




Abb. 1: Die gemessene lichtinduzierte Anziehungskraft in Abhängigkeit vom experimentell bestimmten Abstand. Das Ergebnis gründet sich auf zehn zyklische Annäherungen der metallischen Platten über eine Distanz von 3 µm mit einer Schrittweite von 20 nm. Ein Zyklus der Annäherung dauert etwa 12 Stunden.

Die hier beobachtete Zunahme liegt allerdings ein bis zwei Größenordnungen über der theoretischen Vorhersage [4, 5]. Für einen Plattenabstand der größer als die Wellenlänge ist, zeigt sich eine Abstandsabhängigkeit der Kraft, die durch das bislang bestehende theoretische Modell nicht zu erklären ist, da dies bislang nur für einen Abstand ≤ λ/ gilt. Hier könnten zusätzliche Spaltmoden eine Rolle spielen und es ist daher nicht sicher, ob es, wie die experimentellen Ergebnisse vermuten lassen, für größere Abstände wieder zu einem (lokalen) Anstieg der lichtinduzierten Kraft kommt. Eine weitere theoretische Betrachtung für größere Abstände sowie zusätzliche Messungen in einem möglichen Nachfolgeprojekt könnten hier zu einem besseren Verständnis der Kraft und der experimentellen Ergebnisse führen.

Literatur:

[1] Nesterov V, Frumin L and Podivilov E 2011 Negative light pressure force between two metal bodies separated by a subwavelength slit EPL. 94 64002

[2] Nesterov V and Frumin L 2011 Light-induced attractive force between two metal bodies separated by a subwavelength slit Meas. Sci. Technol. 22 094008 (7pp)

[3] Shapiro D, Nies D, Belai O, Wurm M and Nesterov V 2016 Optical field at the subwavelength slit, Optics Express 24 15977-15982

[4] Nesterov V, Nies D, Belai O, Buetefisch S, Kirchhoff J, Mueller M and Brand U 2018 The status of PTB’s nanonewton force facility Proceedings of CPEM, Paris, July 8-13, 2018, France 950-951

[5] Nies D, Nesterov V, Kirchhoff J, Buetefisch S, Mueller M and Belai O 2018 Direct measurement of a light induced attractive force between two metal bodies separated by a subwavelength slit 2018 Proceedings od SPIE, San Diego, August 19-23, 2018, USA

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig