Desde o desenvolvimento dos primeiros métodos de controle do movimento e posição de partículas usando lasers, ainda no início da década de 1970, até o reconhecimento com o prêmio Nobel de Física de 2018, uma das principais e mais versáteis ferramentas de manipulação óptica, as chamadas pinças ópticas, têm sido usadas majoritariamente para explorar objetos em dois regimes de tamanho: o limite das partículas sub-nanométricas (átomos e moléculas simples) e o limite das partículas micrométricas (com aplicações especialmente em sistemas biológicos). Nesse trabalho, foi desenvolvido e construído um aparato experimental para aprisionar micro e nanopartículas numa pinça óptica, que pode ser controlada de forma dinâmica usando modulação acusto-óptica do feixe de aprisionamento. A calibração da pinça óptica foi feita por diversos métodos, incluindo o método de equipartição de energia e análise do potencial óptico, resultando em forças de aprisionamento da ordem de piconewtons por micrometros. Ademais, simulações computacionais de modelos estocásticos foram realizadas com o intuito de comparar os resultados experimentais com àqueles previstos teoricamente e guiar estudos futuros. / Since the development of early methods for controlling the motion and position of particles using lasers, in the 1970s, to the recognition with the 2018 Nobel Prize for Physics, one of the most versatile optical manipulation tools, the so-called optical tweezers, have been used mostly to explore objects in two limits of sizes: the sub nanometric particles (atoms and simple molecules) and the micrometric particles (with applications especially in biological systems). In this work, an experimental apparatus was developed and built to trap micro and nanoparticles in an optical tweezer that can be dynamically controlled, using acoustic-optical modulation of the trapping beam. The calibration of the optical tweezer was done using several methods, including the energy equipartition method and optical potential analysis, resulting in trapping forces on the order of piconewtons per micrometers. In addition, computational simulations of stochastic models were performed with the purpose of comparing the experimental results with those predicted theoretically and guiding future studies.

Orientador: Odilon Divino Damasceno Couto Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-28T03:39:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Covacevice_AllanCassioTrevelin_M.pdf: 15137963 bytes, checksum: 6269264b01d872c4b40e0034a1575cf5 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho, implementamos cálculos feitos através do método de elementos finitos no estudo de propriedades mecânicas e ópticas de microcavidades ópticas planares (POMCs) quando estas estão sob os efeitos de modulação induzidos por ondas acústicas de superfície (SAWs). Começamos resolvendo separadamente os problemas de modulação mecânica e caracterização de modos ópticos. Após isso, fundimos esses dois modelos em um terceiro, permitindo a caracterização da modulação acusto-óptica do sistema, o que nos permite também calcular as alterações induzidas nas propriedades ópticas das POMCs devido às SAWs. Concentramos nossa atenção em POMCs que possuem refletores de Bragg (DBRs) compostos por camadas de materiais fortemente piezoelétricos, como o ZnO e o LiNbO3. Mostramos que, usando em torno de 10 DBRs acima e abaixo da cavidade óptica, POMCs baseadas em ZnO/SiO2 e LiNbO3/SiO2 poderiam, em princípio, apresentar fatores de qualidade excedentes a 104. O alto confinamento de luz na cavidade permite-nos observar efeitos relacionados ao forte acoplamento fóton-fônon induzido pelas SAWs. Em particular, mostramos como a presença de SAWs confere a formação de super-redes ópticas dinâmicas induzidas acusticamente, as quais são caracterizadas pela dobradura ("folding") da dispersão dos fótons na cavidade, e pelo surgimento de "mini" zonas de Brillouin. Nossos resultados estão de acordo com resultados experimentais presentes na literatura. Eles abrem a possibilidade de caracterização de modulações acusticamente induzidas em sistemas de camadas arbitrários e criam uma plataforma muito boa para interpretação de resultados experimentais / Abstract: In this work, we implement finite element method calculations to study the mechanical and optical properties of planar optical microcavities (POMCs) under the strain modulation induced by surface acoustic waves (SAWs). We start by solving separately the problems of mechanical modulation and optical mode characterization. Afterwards, we merge the two models in a single one which enables the characterization of the acousto-optic modulation in the system and allows us to calculate the SAW induced modification in the optical properties of POMCs. We concentrate our attention in POMCs which have distributed Bragg reflectors (DBRs) composed of layers of highly piezoelectric materials like ZnO and LiNbO3. We show that, using around 10 DBRs on top and below the optical cavity layer, POMCs based on ZnO/SiO2 and LiNbO3/SiO2 could, in principle, have Q-factors exceeding 104. The strong light confinement in the cavity allows us to the observe effects related to the strong photon-phonon coupling induced by the SAW. In particular, we show how the presence of SAWs leads to the formation of acoustically induced dynamic optical superlattices, which are characterized by the folding of photon dispersion in the cavity and the appearance of "mini" Brillouin zones. Our results are in very good agreement with experimental results reported in literature. They open the possibility of characterization of acoustically induced modulation in arbitrary layered systems and create a very good platform for interpretation of experimental results / Mestrado / Física / Mestre em Física / 2013/118635-2 / 2012/11382-9 / CAPES / FAPESP