Ein Greifarm aus Licht

Wie das Licht Teilchen fixiert

Das Experimentieren mit der Optischen Pinzette zeigt den Schülern, dass Licht eine Kraft ausübt. Je nach Teilchengröße und Wellenlänge des Lichtes gibt es unterschiedliche Erklärungen für das Phänomen.

Wenn das fixierte Teilchen kleiner ist als die Wellenlänge des Laserlichts, erklärt man das Phänomen mit der Rayleigh-Streuung. Die Kraftwirkung auf das Teilchen geschieht hier mit Dipolkräften. Das einfallende elektromagnetische Feld des Lichts induziert einen Dipol, mit dem das Teilchen wiederum wechselwirkt. Daraus resultiert eine Kraft, die immer zum Fokus des Laserlichts hin gerichtet ist.

Für Schüler leichter zu verstehen ist die Erklärung im so genannten Mie-Regime. Ist das Teilchen größer als die Wellenlänge des Lichtes, kann man das Fixieren mit der Strahlenoptik veranschaulichen. Voraussetzung ist allerdings, dass die zu manipulierenden Teilchen transparent sind. Dann kann man das auf ein Kügelchen eintreffende Laserlicht als Summe vieler Teilstrahlen darstellen. Ein Teilstrahl wird gebrochen und erfährt eine Richtungsänderung und damit eine Impulsänderung und überträgt somit eine gewisse Kraft auf das Kügelchen, das nun eine Richtungsänderung erfährt. Betrachtet man mehrere Teilstrahlen und berücksichtigt deren Intensität ergibt sich, dass die Summe der Kräfte immer in Richtung des Laserfokus gerichtet ist. Das funktioniert sogar im dreidimensionalen Raum wodurch z.B. ein Fett-Tröpfchen unter Wasser festgehalten wird.