The Point Spread Function (PSF) indirectly encodes the wavefront aberrations of an optical system and therefore is a metric of the system performance. Analysis of the PSF properties is useful in the case of diffractive optics where the wavefront emerging from the exit pupil is not necessarily continuous and consequently not well represented by traditional wavefront error descriptors such as Zernike polynomials. The discontinuities in the wavefront from diffractive optics occur in cases where step heights in the element are not multiples of the illumination wavelength. Examples include binary or N-step structures, multifocal elements where two or more foci are intentionally created or cases where other wavelengths besides the design wavelength are used. Here, a technique for expanding the electric field amplitude of the PSF into a series of orthogonal functions is explored. The expansion coefficients provide insight into the diffraction efficiency and aberration content of diffractive optical elements. Furthermore, this technique is more broadly applicable to elements with a finite number of diffractive zones, as well as decentered patterns.

Durante las últimas décadas, la construcción de anillos de almacenamiento de electrones exclusivamente dedicados a la producción de radiación sincrotrón ha sido la clave para justificar el gran desarrollo de los componentes ópticos para rayos X. Se requieren nuevos elementos ópticos para una explotación óptima de las propiedades de esta luz, que puede usarse para descubrir los secretos de la materia y para revelar el mundo microscópico. El uso de radiación sincrotrón como sonda ha hecho posible una gran cantidad de experimentos para expandir el conocimiento de muchas áreas científicas. Paulatinamente, la radiación sincrotrón se ha convertido en un instrumento indispensable para muchos científicos, que trabajan en disciplinas muy diferentes como la biología, la química, la ciencia de materiales o incluso la arqueología. La microscopía de rayos X ha emergido como técnica para observar estructuras que no son accesibles con microscopia óptica convencional, y que tiene ventajas respeto a la microscopía electrónica debido a la mayor longitud de penetración y a la sensibilidad química de la radiación X. La óptica de los microscopios de rayos X incluye componentes como las lentes zonales de Fresnel que se producen con técnicas de microfabricación. En este trabajo, se han fabricado lentes zonales de Fresnel utilizando distintas técnicas y se han testado en diversas Fuentes de Luz Sincrotrón. Describiremos en detalle las técnicas de micro- y nanofabricación que son necesarias para la producción de estos elementes, des de la litografía por haz de electrones a la transferencia del patrón a distintos materiales. En particular, presentamos lentes para rayos X blandos hechas de silicio. Mostraremos que éstas funcionan bien en las fuentes de luz existentes y que debido a su robustez serán también apropiadas para las fuentes de rayos X de 4a generación. También preparamos un elemento óptico difractivo que produce una mancha iluminación cuadrada y llana, y que puede usarse como lente condensadora en microscopía de rayos X de transmisión. Finalmente, también demostramos un nuevo método de fabricación que puede mejorar la resolución espacial última de las lentes difractivas para rayos X. Se fabricaron lentes zonales de Fresnel con una última zona de 20 nm y líneas de 15 nm han sido claramente resueltas en microscopía de rayos X de rastreo. Este trabajo se ha realizado en el Laboratorio de Luz Sincrotrón en Barcelona, con la participación del Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (CSIC-CNM) y del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona. Al mismo tiempo, partes esenciales de este trabajo se han realizado con la colaboración del Dr. C. David y el Dr. K. Jefimovs del Labor fur Mikro- und Nanotechnologie al Paul Scherrer Institut en Villigen (Suiza). / During the last decades, the construction of electron storage rings exclusively dedicated to the production of synchrotron radiation has been a key reason to explain the large development of x-ray optics. New optical elements are required for an optimal exploitation of the properties of this light, which can be used to find out the secrets of matter and to reveal the microscopic world. The use of synchrotron light as a probe has made possible a large quantity of experiments to expand the knowledge in many scientific areas. Little by little, synchrotron radiation sources have become an indispensable tool for the research of lots of scientists, who work in very different disciplines such as biology, chemistry, physics, material science or even archaeology. X-ray microscopy has emerged as a technique to observe structures which are not accessible with conventional optical microscopy, and that has advantages in respect to electron microscopy due to the longer penetration depth and chemical sensitivity of the x-ray radiation. The optics of the x-ray microscopes includes components such as the Fresnel zone plate lenses which are made by means of microfabrication techniques. Within this work, Fresnel zone plate lenses were produced using different approaches and they have been tested in several Synchrotron Light Sources. We will describe in detail the micro- and nanofabrication techniques that are necessary for the production of such elements, from the electron beam lithography to the pattern transfer into different materials. In particular, we will present lenses for soft x-rays made of silicon. We show that they perform well at the current light sources and we think that due to their robustness they will also be suitable for the 4th generation x-ray sources. We also prepared a diffractive optical element which produces a square flat top illumination spot, and that can be used as a condenser lens in full-field transmission x-ray microscopy. Finally, we will also demonstrate a novel fabrication method which can push the ultimate spatial resolution of x-ray diffractive lenses. Fresnel zone plates with an outermost zone width of 20 nm have been fabricated and 15 nm lines have been clearly resolved in scanning transmission x-ray microscopy. This work has been carried out in the Laboratori de Llum Sincrotró in Barcelona, with the participation of the Centro Nacional de Microelectrònica de Barcelona (CSIC - CNM) and the Grup d'Òptica del Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona. At the same time, essential parts of this work have been done in close collaboration with Dr. C. David and Dr. K. Jefimovs from the Labor für Mikro- und Nanotechnologie at the Paul Scherrer Institut in Villigen (Switzerland).

Nowadays plasmonics is rapidly developing areas from fundamental studies to more application driven research. This dissertation contains three different research topics on plasmonics. In the first research topic, by modulating the zone width of a plasmonic zone plate, we demonstrate that a beam focused by a proposed plasmonic zone plate lens can be achieved with higher intensity and smaller spot size than the diffraction-limited conventional zone plate lens. This sub-diffraction focusing capability is attributed to extraordinary optical transmission, which is explained by the complex propagation constant in the zone regions afforded by higher refractive index dielectric layer and surface plasmons. On the other hand, the resulted diffraction efficiency of this device is relatively low. By introducing a metal/dielectric multilayered zone plate, we present higher field enhancement at the focal point. This higher field enhancement originates not only from surface plasmon polaritons-assisted diffraction process along the propagation direction of the incident light (longitude mode), but also from multiple scattering and coupling of surface plasmons along the metal/dielectric interface (transverse mode). In the second research topic, we suggest a novel concept of SERS-active substrate applications. The surface-enhanced Raman scattering enhancement factor supported by gap surface plasmon polaritons is introduced. Due to higher effective refractive index induced by gap surface plasmon polaritons in the spacer region between two metal plates, incident light tends to localize itself mostly in the medium with higher refractive index than its adjacent ones and thereby the lights can confine with larger field enhancement. In the last research topic, we offer a simple structure in which a gold dipole antenna is formed on the SiC substrate. Surface phonon polaritons, counterparts of surface plasmon polaritons in the mid-infrared frequencies, are developed. Due to the synergistic action between the conventional dipole antenna coupling and the resonant excitation of surface phonon polaritons, strong field enhancement in the gap region of dipole antenna is attained. Most of research topics above are expected to find promising applications such as maskless nanolithography, high resolution scanning optical microscopy, optical data storage, optical antenna, SERS-active substrate, bio-molecular sensing and highly sensitive photo-detectors.

Tesis por compendio / [ES] La necesidad de confinar y manipular micro-objetos tiene aplicaciones en múltiples áreas de la ciencia y tecnología. Actualmente, existen diversas técnicas para lograr este objetivo, y una de las más destacadas es el uso de las llamadas pinzas ópticas, que se han convertido en una herramienta ampliamente utilizada en laboratorios de todo el mundo. Este trabajo de investigación se centra en el fascinante campo del atrapamiento y manipulación de micro-objetos, con un enfoque destacado en la combinación de elementos ópticos difractivos y la técnica de pinzas ópticas. Esta combinación permite un aumento de la versatilidad de los sistemas experimentales de pinzas ópticas. Los avances presentados en esta tesis tienen aplicaciones en una amplia gama de campos, desde la nanotecnología hasta la biología celular. Como lentes difractivas implementadas en los sistemas de pinzas ópticas, se introducen las lentes difractivas Kinoform basadas en la secuencia aperiódica m-Bonacci. Estas lentes permiten atrapar múltiples partículas simultáneamente y manipularlas tridimensionalmente en dos planos focales diferentes, lo que amplía significativamente las posibilidades de investigación y desarrollo en diversas disciplinas. Además, se aborda la generación de múltiples trampas ópticas mediante lentes Kinoform cuadrifocales basadas en otra secuencia aperiódica conocida como Silver Mean, permitiendo atrapar partículas en cuatro planos focales de manera simultánea. Este avance mejora significativamente la versatilidad de los sistemas de pinzas ópticas. Adicionalmente el uso de vórtices multiplexados en un sistema de pinzas ópticas, permite atrapar de manera independiente múltiples partículas y transferir momento angular. Estos avances abren nuevas posibilidades en la construcción de micromotores y aplicaciones de micro-ensamblaje. Un efecto asociado a las trampas ópticas es la generación de microburbujas, en la actualidad estas se han convertido en objeto de estudio debido a la facilidad de generación y a sus posibles aplicaciones como agentes de transporte de partículas o micro-objetos. Aprovechando este efecto en esta tesis se implementa una técnica de atrapamiento que emplea fuerzas termoforéticas en la captura y manipulación de microburbujas en líquidos. Esto constituye otro avance importante en el campo del atrapamiento tridimensional. Por último, se desarrolla un laboratorio virtual utilizando COMSOL Multiphysics para simular el atrapamiento acústico, lo que permite a los estudiantes interactuar con el sistema y comprender mejor este fenómeno. Este enfoque educativo proporciona herramientas valiosas para la comprensión y análisis de la manipulación de partículas, lo que beneficia a los estudiantes de pre-grado y grado interesados en este campo. En conjunto, todos estos avances representan contribuciones significativas en el campo del atrapamiento y manipulación de partículas, en particular a través de las pinzas ópticas, promoviendo el progreso tecnológico y científico en diversas disciplinas y brindando oportunidades educativas para futuras generaciones de investigadores y científicos. A lo largo del desarrollo de esta tesis, se han creado nuevos elementos difractivos que superan ciertas limitaciones y aumentan las capacidades de las pinzas ópticas, abriendo nuevas perspectivas de aplicación para tecnologías preexistentes. / [CA] La necessitat de confinar i manipular microobjectes té aplicacions a múltiples àrees de la ciència i la tecnologia. En l'actualitat, hi ha diverses tècniques per assolir aquest objectiu, i una de les més destacades és l'ús de les anomenades pinces òptiques, que han esdevingut una eina molt utilitzada en laboratoris de tot el món. Aquest treball de recerca se centra en el fascinant camp de la captura i la manipulació de microobjectes, destacant la combinació d'elements òptics difractius i la tècnica de les pinces òptiques. Aquesta combinació permet augmentar la versatilitat dels sistemes experimentals de pinces òptiques. Els avenços presentats en aquesta Tesi tenen aplicacions en una àmplia gamma de camps, des de la nanotecnologia a la biologia cel·lular. Com a lents difractives implementades en sistemes de pinces òptiques, es presenten les lents difractives Kinoform basades en la seqüència aperiòdica m-Bonacci. Aquestes lents permeten atrapar simultàniament múltiples partícules i manipular-les tridimensionalment en dos plans focals diferents, fet que amplia significativament les possibilitats de recerca i desenvolupament en diverses disciplines. A més, s'aborda la generació de múltiples trampes òptiques utilitzant lents Kinoform quadrifocals basades en una altra seqüència aperiòdica coneguda com a Silver Mean, que permet atrapar partícules en quatre plans focals simultàniament. Aquest avenç millora significativament la versatilitat dels sistemes de pinces òptiques. A més, l'ús de vòrtexs multiplexats en un sistema de pinces òptiques permet atrapar múltiples partícules de manera independent i transferir el moment angular. Aquests avenços obren noves possibilitats en la construcció de micromotors i aplicacions de microassemblatge. Un efecte associat a les trampes òptiques és la generació de microbombolles, actualment aquestes s'han convertit en objecte d'estudi a causa de la facilitat de generació i de les seves potencials aplicacions com a agents de transport de partícules o microobjectes. Aprofitant aquest efecte, aquesta Tesi implementa una tècnica d'atrapament que utilitza forces termoforètiques en la captura i manipulació de microbombolles en líquids. Això constitueix un altre avenç important en el camp de l'atrapament tridimensional. Finalment, es desenvolupa un laboratori virtual utilitzant COMSOL Multiphysics per simular l'atrapament acústic, cosa que permet als estudiants interactuar amb el sistema i comprendre millor aquest fenomen. Aquest enfocament educatiu proporciona eines valuoses per a la comprensió i l'anàlisi de la manipulació de partícules, cosa que beneficia els estudiants de grau i postgrau interessats en aquest camp. En conjunt, tots aquests avenços representen contribucions significatives al camp de l'atrapament i la manipulació de partícules, particularment a través de pinces òptiques, promovent el progrés tecnològic i científic en diverses disciplines i proporcionant oportunitats educatives per a futures generacions d'investigadors i científics. Al llarg del desenvolupament d'aquesta Tesi, s'han creat elements difractius nous que superen certes limitacions i augmenten les capacitats de les pinces òptiques, obrint noves perspectives d'aplicació per a tecnologies preexistents. / [EN] The need to confine and manipulate micro-objects has applications in multiple areas of science and technology. Currently, there are several techniques to achieve this goal, and one of the most prominent is the use of the so-called optical tweezers, which have become a widely used tool in laboratories around the world. This research work focuses on the fascinating field of micro-object capture and manipulation, highlighting the combination of diffractive optical elements and the optical tweezers technique. This combination allows to increase the versatility of the experimental optical tweezers systems. The advances presented in this thesis have applications in a wide range of fields, from nanotechnology to cell biology. As diffractive lenses implemented in optical tweezers systems, Kinoform diffractive lenses based on the aperiodic m-Bonacci sequence are presented. These lenses allow multiple particles to be trapped simultaneously and manipulated three-dimensionally in two different focal planes, which significantly expands the possibilities for research and development in various disciplines. In addition, the generation of multiple optical traps is addressed using quadrifocal Kinoform lenses based on another aperiodic sequence known as Silver Mean, which allows particles to be trapped in four focal planes simultaneously. This advance significantly improves the versatility of optical tweezer systems. In addition, the use of multiplexed vortices in an optical tweezer system allows multiple particles to be trapped independently and angular momentum to be transferred. These advances open up new possibilities in micromotor construction and microassembly applications. One effect associated with optical traps is the generation of microbubbles, currently these have become an object of study due to the ease of generation and their potential applications as transport agents for particles or micro-objects. Taking advantage of this effect, this thesis implements an trapping technique that employs thermophoretic forces in the capture and manipulation of microbubbles in liquids. This constitutes another important advance in the field of three-dimensional trapping. Finally, a virtual laboratory is developed using COMSOL Multiphysics to simulate acoustic trapping, allowing students to interact with the system and better understand this phenomenon. This educational approach provides valuable tools for the understanding and analysis of particle manipulation, benefiting undergraduate and graduate students interested in this field. Taken together, all of these advances represent significant contributions to the field of particle trapping and manipulation, particularly through optical tweezers, promoting technological and scientific progress in various disciplines and providing educational opportunities for future generations of researchers and scientists. Throughout the development of this thesis, new diffractive elements have been created that overcome certain limitations and increase the capabilities of optical tweezers, opening new application perspectives for pre-existing technologies. / We acknowledge the financial support from Ministerio de Ciencia e Innovación (grants PID2019-107391RB-I00 and PID2022-1142407NB-I00), Generalitat Valenciana (grant PROMETEO/2019/048 and CI-PROM/2022/30), and Universitat Politècnica de València (PAID-01-20-25), Spain. We acknowledge the financial support from CONACyT (grant A1-S-28440). / Muñoz Pérez, FM. (2024). Diseño y caracterización experimental de sistemas de atrapamiento y manipulación de micro-objetos mediante técnicas ópticas, térmicas y acústicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203436 / Compendio

La thèse porte sur un nouveau concept pour les afficheurs de réalité augmentée placés près de l’œil, notamment pour améliorer les champs de vision. Deux guides d'ondes sont empilés avec un petit espace d'air entre eux. La lumière couplée dans le premier guide d'ondes par le coupleur d’entrée se propage par réflexion interne totale jusqu'à atteindre un miroir cylindrique à l'extrémité du guide. Puis, la lumière réfléchie est couplée dans le second guide d'ondes avant d'atteindre le coupleur de sortie. Un système similaire basé sur des micro-prismes est aussi décrit. Les conceptions ont été simulées avec le logiciel Zemax. Les champs de vision horizontal et vertical obtenus sont respectivement de 30° et 60°. La Fonction de Transfert de Modulation pour tous les champs objets est supérieure à 30% pour 33 npl/mm, ce qui est suffisant pour un système visuel. De plus, un grand volume de déplacement admissible pour l’œil (Eye-box) d'environ 10×8 mm a été obtenu. / We propose a new concept to improve notably the fields-of-view (FOV) of the near to eye displays (NEDs) for augmented reality. Two waveguides are stacked with a small air gap between them. The light coupled in the first waveguide by the in-coupler propagates by total internal reflection until it reaches a cylindrical mirror at the end of the guide. Then, the reflected light is coupled in the second waveguide before to reach the out-coupler. A similar system based on micro-prisms is also described. The designs were simulated with Zemax software. The obtained horizontal and vertical FOV are respectively 30° and 60°. The Modulation Transfer Function for all object fields is greater than 30% for 33 npl/mm, which is sufficient for a visual system. In addition, a large Eye-box of approximately 10 × 8 mm was obtained.