[pt] Optomecânica, o estudo de forças induzidas pela luz sobre a matéria, teve grandes avanços nos últimos anos com diversas implicações sobre todas as ciências naturais. Pinças ópticas, por exemplo, são amplamente usadas na física, química e biologia para aprisionar nano e micropartículas com índice de refração maior do que o meio que a cerca usando, em geral, feixes Gaussianos. Generalizando essa técnica, trabalhos recentes começaram a explorar estados de ordem maior dos feixes eletromagnéticos e suas superposições para aprisionamento óptico, criando feixes com fase, modo e amplitude ajustáveis. Esses novos graus de liberdade permitem o uso de potenciais arbitrários e até mesmo forças dependentes do tempo capazes de induzir movimento controlado no objeto aprisionado. Nesse contexto de feixes estruturados, nós podemos explorar não apenas as forças atrativas entre luz e matéria, mas também as forças repulsivas que ocorrem quando o índice de refração da partícula é menor que o do meio circundante. Neste trabalho vamos explorar ambos cenários a partir da criação de feixes holográficos com um Modulador Espacial de Luz (SLM). Mais especificamente, vamos focar na implementação do feixe de foco escuro, ou feixe de garrafa, onde as partículas encontram equilíbrio em uma região sem incidência de luz. Resultados experimentais são apresentados e comparados com simulações numéricas baseadas na teoria de Lorentz-Mie e possíveis aplicações dessas pinças óticas inversas são discutidas em optomecânica e biologia. / [en] Optomechanics, the study of light-induced forces upon matter, has seen tremendous advances in recent years with broad implications to all natural sciences. Optical tweezers, for instance, are now widely used in physics, chemistry and biology to trap nano- and micro-objects with a refractive index greater than of its surrounding medium using typically Gaussian laser beams. Generalizing these techniques, recent works began to explore higher-order states of the electromagnetic field and its superpositions for optical trapping, creating beams with customized phase, mode and amplitude. These new degrees of freedom allows for optical potentials beyond the harmonic approximation, enabling virtually arbitrary potential forms and even time-dependent forces capable of inducing controlled motion on the trapped object. Within this context of structured light beams, we can explore not only the attractive forces between light and matter but the repulsive ones that arise when the particle s refractive index is smaller than that of its medium. In this work we explore both scenarios by creating holographic beams with a Spatial Light Modulator (SLM). Specifically, we focus on the implementation of the dark focus beam, or optical bottle beam, where particles may find equilibrium in a region with no incidence of light. Experimental results are presented and compared to Lorentz-Mie numerical simulations and possible applications of these inverted optical tweezers in optomechanics and biology are discussed.

[pt] As pinças ópticas tornaram-se uma ferramenta importante na pesquisa multidisciplinar, permitindo a manipulação e estudo de partículas em micro e nanoescala. Aqui, descrevemos o desenvolvimento de dois experimentos de pinça óptica no cerne da optomecânica levitada: uma pinça óptica a vácuo Gaussiana e uma pinça óptica a vácuo com luz estruturada. No experimento Gaussiano, descrevemos em detalhes sua construção e seu uso para testar características de movimento estocástico sujeito a forças efetivas não-lineares geradas através de feedback elétrico. Em seguida, passamos para a configuração de luz estruturada. Utilizando um Modulador Espacial de Luz, desenvolvemos uma pinça óptica a vácuo com a capacidade de gerar potenciais ópticos arbitrários, incluindo não-linearidades e armadilhas para múltiplas partículas. Os experimentos desenvolvidos neste trabalho abrem caminho para novos métodos de controle de movimento de partículas, forças e interações, expandindo ainda mais a caixa de ferramentas da optomecânica levitada. / [en] Optical tweezers have become an important tool in multidisciplinary research, allowing for the manipulation and study of micro- and nano-scale particles. Here, we describe the development of two optical tweezer experiments at the heart of levitated optomechanics: a Gaussian and a structured light vacuum optical tweezer. In the Gaussian experiment, we describe in detail its construction and its use to test features of stochastic motion subject to nonlinear effective forces generated via electric feedback. Next, we move to the structured light setup. Using a Spatial Light Modulator, we develop a vacuum optical tweezer with the capability of engineering arbitrary optical landscapes, including non-linearities and multi-particle traps. The experiments developed in this work pave the way to novel methods for controlling particle motion, forces and interactions, further extending the levitated optomechanics toolbox.

[pt] A optomecânica é um campo em crescimento que estuda sistemas nos quais luz e movimento mecãnico estão acoplados por meio de pressão de radiação. Neste trabalho apresentamos a teoria básica acerca de cavidades ópticas e pinças ópticas, duas importantes ferramentes frequentemente utilizadas em experimentos de optomecânica, bem como suas implementações práticas. No que diz respeito a cavidades ópticas, nós apresentamos a implementação de cavidades de Fabry Pérot formadas por um espelho plano e um espelho esférico e de cavidades formadas por dois espelhos esféricos, tanto na configuração confocal como na configuração não confocal, e comparamos a performance dessas diferentes cavidades. No que diz respeito a pinças ópticas, nós apresentamos uma pinça óptica capaz de aprisionar esferas micrométricas em um meio aquoso e a usamos para estudar o movimento de partículas aprisionadas. / [en] Optomechanics is a growing field that studies systems where light and mechanical motion are coupled via radiation pressure. In this work, we present the basic theory regarding optical cavities and optical tweezers, two important tools that are often used in optomechanical setups, as well as their experimental implementations. On the subject of optical cavities, we present the implementation of Fabry Pérot cavities formed by one plane mirror and one spherical mirror and cavities formed by two spherical mirrors, both on the confocal and on the non-confocal configuration, and compare the performance of these different cavities. On the subject of optical tweezers, we present an optical tweezer capable of trapping micro-spheres in a water medium and use it to study the movement of trapped particles.

[pt] Nas últimas décadas, interações entre luz e matéria provaram ser uma ferramenta versátil para medir e controlar sistemas mecânicos, encontrando aplicações desde detecção de forças até resfriamento ao estado fundamental de nanoesferas. Nesta dissertação, nós apresentamos algumas das ferramentas teóricas necessárias para descrever interferômetros, pinças ópticas e cavidades ópticas, constituintes fundamentais da caixa de ferramentas optomecânica. No regime clássico, estudamos o campo eletromagnético circulante em interferômetros lineares e mostramos como encontrar o campo resultante transmitido, apresentando exemplos de cavidades ópticas com um número arbitrário de elementos dispersivos. Nós também estudamos as forças de pressão de radiação que feixes ópticos podem imprimir em partículas dielétricas e mostramos como o aprisionamento óptico 3D é possível em focos claros e escuros. A potencial aplicação para captura de organismos vivos é estudada. No regime quântico, nós estudamos como o campo ressonante de cavidades ópticas pode interagir de forma dispersiva com diferentes sistemas mecânicos, dando origem a uma dinâmica quântica fechada emaranhante. Ao considerar uma nuvem ultra resfriada de átomos interagindo com dois modos ópticos, mostramos o surgimento de emaranhamento óptico que evidencia a natureza não-clássica do conjunto atômico macroscópico. A viabilidade experimental deste experimento com tecnologia atual é estudada. Além disso, nós investigamos o cenário em que uma pinça óptica posiciona uma partícula levitada dentro de uma cavidade óptica de forma que os fótons da pinça espalhados pela partícula possam sobreviver dentro da cavidade. Já foi demonstrado que esta interação, chamada de espalhamento coerente, pode resfriar nanopartículas até números de fônons menores do que um, atingindo profundamente o regime quântico. Nós mostramos que esta interação também pode gerar emaranhamento mecânico entre muitas partículas levitadas, mesmo em um ambiente a temperatura de 300K. Um resumo sobre sistemas de variáveis contínuas e a caixa de ferramentas numérica customizada usada ao longo deste trabalho são apresentados. / [en] Over the last decades, light-matter interactions have proven to be a versatile tool to measure and control mechanical systems, finding application from force sensing to ground state cooling of nanospheres. In this dissertation, we present some of the theoretical tools that describe interferometers, optical tweezers and optical cavities, fundamental constituents of the optomechanical toolbox. In the classical regime, we study the circulating electromagnetic field within linear interferometers and show how one can find the resulting transmitted field, presenting examples of optical cavities with an arbitrary number of dispersive elements. Moreover, we also study the radiation-pressure forces that optical beams can imprint on dielectric particles and show how 3D optical trapping is possible in both bright and dark focuses. Potential application to trapping of living organisms is studied. In the quantum regime, we study how the resonant field of optical cavities can dispersivelly interact with different mechanical systems, giving rise to an entangling closed quantum dynamics. When considering an ultracold cloud of atoms interacting with two optical modes, we show the emergence of optical entanglement which evidences the nonclassical nature of the macroscopic atomic ensemble. The experimental feasibility of this experiment with current technology is studied. Furthermore, we investigate the scenario where a finely tuned optical tweezer places a trapped particle inside an optical cavity such that the tweezer s scattered photons can survive inside the cavity. This so-called coherent scattering interaction has been shown to cool nanoparticles to phonon numbers lower than one deep into the quantum regime. We show that it also can generate mechanical entanglement between many levitated particles even in a room temperature environment. An overview on continuous variable systems and the custom numerical toolbox used throughout this work are presented.

[pt] Resfriamento é o passo inicial necessário a qualquer experimento optomecânico que tenha como objetivo desbloquear o potencial das pinças ópticas, tanto para a melhoria da sensiblidade a forças em aplicações de sensoreamento quanto para estudos de física quântica fundamental na microescala. O propósito do trabalho descrito nesta dissertação foi o de melhorar a montagem de uma pinça óptica para resfriamento por retroalimentação do movimento translacional de nanopartículas levitadas. Nós implementamos a coleta de luz retroespalhada pela partícula para melhorar a eficiência de detecção do movimento ao longo do eixo óptico. Usando um ambiente de simulação numérica em Python, nós também exploramos o potencial de sistemas optomecânicos como sensores para estados de luz com intensidades muito baixas. / [en] Cooling is the necessary first step for any optomechanical experiment aiming to unleash the full potential of optical tweezers, both in the context of improving force sensitivity in sensor applications and of studying fundamental quantum physics at the microscale. The purpose of the work described in this dissertation was to improve an optical tweezer setup for electrical feedback cooling of the translational motion of levitated nanoparticles. We implement collection of backscattered light from the particle for improved detection efficiency of motion along the optical axis. Using a numerical simulation environment in Python, we also explore the potential of optomechanical systems as sensors for light states with very low intensities.