Orientadores: Michel Zamboni Rached, Guillermo Gerardo Cabrera Oyarzún / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-01T02:33:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pachon_EdwinGermanPinilla_D.pdf: 4993091 bytes, checksum: 788c9fb47dfe7b9fea6cc0935ad94d54 (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: Nesta tese, propõe-se um novo método para realizar guiamento de átomos neutros resfriados. Este método envolve o uso da pressão de radiação por ressonância para efetuar o guiamento dos átomos através de um campo óptico (feixe) oco. Particularmente, usa-se a força de dipolo óptico e um tipo específico de campo óptico não difrativo, chamado de "Frozen Wave" (FW), na versão tradicional e estendida, para estudar o guiamento atômico. Os campos ópticos FW¿s, que são uma solução exata da equação de onda, surgem como uma resposta aos problemas relacionados com a difração e com a impossibilidade de fazer qualquer tipo de modelamento (ou localização) longitudinal e transversal de intensidade, dos campos ópticos tradicionais usados no guiamento de átomos, como por exemplo, nos campos Laguerre-Gauss e Bessel. Assim, planejam-se algumas soluções mediante os métodos tradicional e estendido que permitem criar estruturas de luz (localizadas) resistentes à difração e nas quais o padrão de intensidade longitudinal e transversal (restringido) pode ser modelado a priori. De acordo com isso, o estudo teórico do método tradicional e da generalização das FW¿s foi realizado junto com sua comprovação experimental e foram calculados os respectivos potenciais de dipolo óptico junto com a profundidade de penetração dos átomos na barreira de potencial para cada campo óptico. Nos resultados conseguiu-se modelar algumas estruturas de luz (tanto no método tradicional como no estendido) tais como um cilindro, três cilindros concatenados, um tipo de cilindro com tampa e um funil óptico, entre outras; e mostrou-se as vantagens do uso deste tipo de estruturas de luz quando comparadas com os campos ópticos tradicionais para o guiamento atômico. Finalmente, concluiu-se que usar este tipo de campos não difrativos elimina as restrições dos campos tradicionais e é possível fazer o guiamento de átomos neutros resfriados com estes tipos de estruturas de luz. O método estendido dá uma generalização que permite pensar estes tipos de estruturas de luz para aplicações mais globais nas diferentes áreas da óptica e fotônica / Abstract: This thesis proposes a new method to perform cold neutral atom guiding. This method involves the use of resonance radiation pressure to make the atom guiding along a hollow (beam) optical field. Particularly, it uses the optical dipole force and a specific type of non-diffracting optical field, called "Frozen Wave" (FW), in these traditional and extended versions, to study the atom guiding. The FW¿s optical fields, which are an exact solution of the wave equation, appear as an answer to the problems related to the high diffraction and impossibility of any type of longitudinal and transverse intensity modeling (or location) of traditional optical fields used in atom guiding, for example the Laguerre-Gaussian and Bessel optical fields. Thus, some solutions were planned by the traditional and extended methods, which allow to create localized light structures resistant to diffraction and model a priori longitudinal and transverse (restricted) intensity pattern. Accordingly, the theoretical study of the traditional method and his generalization were carried out with their experimental evidence. Also, his respective optical dipole potential was calculated with the atom penetration depth in the potential barrier for each optical field. In the results was possible to model some light structures (both in the traditional and extended method) such as a cylinder, three concatenated cylinders, one cylinder with a lid and an optical funnel, among others; and it is showed the advantages of using this type of light structures when it is compared with the conventional optical fields for the atom guiding. Finally, it is concluded that use this type of non-diffracting fields eliminates the restrictions of the traditional fields and it is possible the cold neutral atoms guiding with this type of light structures. The FW¿s extended method gives a generalization and it permits to suggest this type of light structures for more complete applications in different areas of optics and photonics / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 141977/2013-2 / CNPQ

Este trabalho é uma contribuição às análises de forças de aprisionamento óptico exercidas sobre partículas esféricas por superposições discretas de feixes de Bessel. Um estudo teórico-numérico foi realizado no regime de óptica geométrica, completando as pesquisas já realizadas com tais feixes e no caso escalar, tanto no regime de Rayleigh quanto através de um formalismo eletromagnético completo. Investigam-se padrões longitudinais de intensidade de possível interesse prático, com potenciais de fornecer múltiplas armadilhas ópticas simultâneas utilizando dois métodos de análise. O primeiro parte da observação de que no regime paraxial todos os raios associados aos feixes se encontram quase paralelos entre si quando se toma como aproximação uma superposição de raios paralelos que incidem completamente sobre um hemisfério do espalhador. Tal método, entretanto, é naturalmente restrito pelas forças transversais. O segundo, que torna mais confiáveis e precisas as predições acerca da componente longitudinal de força, adota procedimentos mais robustos que levam em consideração tanto a contribuição da pressão de radiação (força de espalhamento) quanto a força gradiente devido a gradientes locais de intensidade associados a raios não-paralelos. Assim, acredita-se que este trabalho traz como contribuição um reforço a esta classe específica e promissora de feixes não difrativos como feixes de luz interessantes para aplicações em aprisionamento e micromanipulação óptica. / This work is a contribution to the analyses of optical trapping forces exerted on spherical particles by discrete superpositions of Bessel beams. A theoretical-numerical study has been carried out in the ray optics regime, completing the pre-existing research performed with such beams, in the scalar case, both in the Rayleigh regime and through a complete electromagnetic formalism. We investigate longitudinal intensity patterns of possible practical interest with potential to provide multiple simultaneous optical traps, by using two methods of analysis. The first assumes that, in the paraxial regime, all rays associated to the beams are almost parallel to each other, taking a superposition of parallel rays that are completely incident on a hemisphere of the scatterer as a suitable approximation. Such a method, however, is naturally constrained by the transverse forces. The second one, which makes the predictions about the longitudinal force component more reliable and accurate, adopts more robust procedures that take into consideration the contribution of the radiation pressure (scattering force) as well as the gradient force due to local intensity gradients associated to non-parallel rays. Thus it is hoped that this work will contribute to reinforce this specific and promising class of non-diffractive beams as interesting light beams for applications in optical trapping and micromanipulation.

Este trabalho é uma contribuição às análises de forças de aprisionamento óptico exercidas sobre partículas esféricas por superposições discretas de feixes de Bessel. Um estudo teórico-numérico foi realizado no regime de óptica geométrica, completando as pesquisas já realizadas com tais feixes e no caso escalar, tanto no regime de Rayleigh quanto através de um formalismo eletromagnético completo. Investigam-se padrões longitudinais de intensidade de possível interesse prático, com potenciais de fornecer múltiplas armadilhas ópticas simultâneas utilizando dois métodos de análise. O primeiro parte da observação de que no regime paraxial todos os raios associados aos feixes se encontram quase paralelos entre si quando se toma como aproximação uma superposição de raios paralelos que incidem completamente sobre um hemisfério do espalhador. Tal método, entretanto, é naturalmente restrito pelas forças transversais. O segundo, que torna mais confiáveis e precisas as predições acerca da componente longitudinal de força, adota procedimentos mais robustos que levam em consideração tanto a contribuição da pressão de radiação (força de espalhamento) quanto a força gradiente devido a gradientes locais de intensidade associados a raios não-paralelos. Assim, acredita-se que este trabalho traz como contribuição um reforço a esta classe específica e promissora de feixes não difrativos como feixes de luz interessantes para aplicações em aprisionamento e micromanipulação óptica. / This work is a contribution to the analyses of optical trapping forces exerted on spherical particles by discrete superpositions of Bessel beams. A theoretical-numerical study has been carried out in the ray optics regime, completing the pre-existing research performed with such beams, in the scalar case, both in the Rayleigh regime and through a complete electromagnetic formalism. We investigate longitudinal intensity patterns of possible practical interest with potential to provide multiple simultaneous optical traps, by using two methods of analysis. The first assumes that, in the paraxial regime, all rays associated to the beams are almost parallel to each other, taking a superposition of parallel rays that are completely incident on a hemisphere of the scatterer as a suitable approximation. Such a method, however, is naturally constrained by the transverse forces. The second one, which makes the predictions about the longitudinal force component more reliable and accurate, adopts more robust procedures that take into consideration the contribution of the radiation pressure (scattering force) as well as the gradient force due to local intensity gradients associated to non-parallel rays. Thus it is hoped that this work will contribute to reinforce this specific and promising class of non-diffractive beams as interesting light beams for applications in optical trapping and micromanipulation.