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[en] OPTICAL TWEEZERS AND STRUCTURED LIGHT: TRAPPING MICROPARTICLES IN A DARK FOCUS / [pt] PINÇAS ÓPTICAS E LUZ ESTRUTURADA: APRISIONANDO MICROPARTÍCULAS EM UM FOCO ESCURFELIPE ALMEIDA DA SILVA 13 June 2023 (has links)
[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.
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[en] LEVITATED OPTOMECHANICS: FROM GAUSSIAN TWEEZERS TO STRUCTURED MODES / [pt] OPTOMECÂNICA LEVITADA: DE PINÇAS ÓPTICAS GAUSSIANAS À MODOS ESTRUTURADOSBRENO DE MOURA CALDERONI 05 December 2023 (has links)
[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.
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