title: Source technologies for optomechanics in high vacuum
Creators: name: Schrems, Stefan
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Fangen und Kühlen von Nanoteilchen ist ein Feld der modernen Physik mit vielen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise hochsensitive Beschleunigungsmessungen oder Tests von fundamentalen Fragen der Quantenphysik auf mesoskopischer Ebene. Optisch gefangene Nanoteilchen im Speziellen interagieren minimal mit ihrer Umgebung interagieren, was präzisere Kontrolle über sie ermöglicht. Dazu benötigen wir eine Quelle mit wohldefinierten Teilchengrößen, Massen, Ladungen sowie Formen mit niedrigen Geschwindigkeiten, um optische Fallen auch ohne Buffergaskühlung zu füllen. Die Ladunsgeffizienz der meisten Teilchenquellen wird von zwei Faktoren limitiert. Eine große Menge an Teilchen werden gleichzeitig desorbiert und kontaminieren die sensitiven Optiken der Teilchenfalle, oder die Teilchen sind zu schnell. Diese Arbeit behandelt zwei Teilchenquellen, namentlich Laser-induzierte akustische Desorption (LIAD), sowie (Poly-)phthalaldehyd (PPA) Sublimation. Beide haben das Potential, den Ladungsprozess von Teilchenquellen zu verbessern. Im Rahmen von LIAD wird ein mit Teilchen beladenes Substrat mit einem gepulsten Laser bestrahlt, der thermische und akustische Schockwellen auslöst. Dadurch werden Nanoteilchen auf der Vorderseite des Substrats abgelöst. Wir untersuchen die Desorption von SiO2 Nanoteilchen von verschiedenen Substratsmaterialien, wie beispielsweise Kupfer oder Titan, mit Dicken von 5 um bis 700 um in Vakuumumgebung (2 pa). Als Teilchendetektor dient eine 1550 nm optische Pinzette im Zusammenhang mit einer Glasfaser, die das Streulicht der Nanoteilchen sammelt. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Nanoteilchen, die wir in der optischen Pinzette sehen konnten lag unter 5 m/s für fast alle Substrate, mit einer Erfolgswarscheinlichkeit von 1 %. PPA Sublimation hingegen ist eine neuartige Quelltechnik, welche die fragmentierende Sublimation von (Poly-)phthalaldehyd ausnutzt. Teilchen sind auf eine dünne PPA-Schicht aufgebracht, welche unter der Bestrahlung eines Lasers aufheizt und sublimiert. Mit dieser Methode ist es uns gelungen, eine funktionierende Nanoteilchenquelle zu konstruieren und desorbierte SiO2 Nanoteilchen in einer optischen Pinzette zu detektieren. Diese Arbeit fokussiert sich hauptsächlich auf die Präparation der Substrate und deren Untersuchung mittels Fluoreszenzmikroskopie bzw. eines selbst gebauten in-situ Mikroskopiesystems. Verschiedene Durchmesser von SiO2 Nanoteilchen wurden untersucht und das erwartete Teilchenverhalten nach deren Verdampfung wurde analysiert.
description: Trapping and cooling of nanoparticles is a field of modern physics with many prospective applications in sensing and tests of the foundations of physics. Optically trapped nanoparticles are especially interesting due to their decoupling from the environment, which allows for precise control of their dynamics. This however requires a source of nanoparticles with a well-defined mass, shape, size, velocity and charge with a low average velocity to load the trap. The cooling aspect also requires a low-pressure environment to minimize the interaction with any background gas. The main issues with most current loading mechanisms are twofold. They volatilise a high amount of nanoparticles simultaneously, which have a very high chance of polluting the sensitive optics of the trap, or they volatilise nanoparticles at high velocity. These particles require buffergas slowing in order for them to be caught in the trapping potential, which makes the source incompatible with a vacuum environment. This thesis is dedicated to the investigation of two source techniques, Laser-induced acoustic desorption (LIAD), as well as (Poly-)phthalaldehyde (PPA) sublimation, which show promise to improve upon the aforementioned points. LIAD works by using a laser to spread acoustic and termal waves through a substrate, which desorb particles from its surface. This thesis focuses on LIAD for silica nanoparticles across different substrates, such as copper or titanium from 5 um to 700 um thickness in a vacuum environment (2 pa), which are detected by a 1550 nm optical tweezer in combination with a fiber collecting light scattered of the particle. We observed single nanoparticles with a success rate of roughly 1/100, whose average velocity for almost all substrates were below 5 m/s. PPA sublimation is a new prospective volatilisation technique, that uses the property of (Poly-)phthalaldehyde to sublimate, instead of melt, when heated. We apply nanoparticles on a layer of PPA, which is vaporized using a CW-laser, vaporizing the nanoparticles with it in the process. Using this method, we were able to desorb nanoparticles and detect them in an optical tweezer. PPA-samples coated in SiO2 nanoparticles of 300 nm diameter have been prepared and an in-situ imaging system for direct observation of the sublimation process has been created. Finally, an analysis of the predicted particle behaviour after sublimation has been made.