Studium chování opticky zachycených částic nám umožňuje porozumět základním fyzikálním jevům plynoucím z interakce světla a hmoty. Předkládaná práce podává vysvětlení zesílení tažné síly působící na opticky svázané částice ve strukturovaném světelném poli, tzv. tažném svazku. Ukazujeme, že pohyb dvou opticky svázaných objektů v tažném svazku je silně závislý na jejich vzájemné vzdálenosti a prostorové orientaci, což rozšiřuje možnosti manipulace hmoty pomocí světla. Následně se práce zaměřuje na levitaci opticky zachycených částic ve vakuu. Představujeme novou metodologii na charakterizaci vlastností slabě nelinearního Duffingova oscilátoru reprezentovaného opticky levitující částicí. Metoda je založena na průměrování trajektorií s určitou počáteční pozicí ve fázovém prostoru sestávajícím z polohy a rychlosti částice a poskytuje informaci o parametrech oscilátoru přímo ze zaznamenaného pohybu. Náš inovativní postup je srovnán s běžně užívanou metodou založenou na analýze spektrální hustoty polohy částice a za využití numerických simulací ukazujeme její použitelnost i v nízkých tlacích, kde nelinearita hraje významnou roli.

Laser application in the field of biological and medical sciences has significantly grown, thereby strengthening the field of Biophotonics. Research conducted in Biophotonics focuses on the concept of using light especially in the visible and near infrared regions of the electromagnetic radiation for the evaluation of living systems. In this thesis new discoveries are presented about low level laser therapy, optical trapping, transmission spectroscopy, luminescence spectroscopy and structured illumination microscopy (SIM), displaying the impact each technique has on HIV infected cells. The results showed that the irradiation of HIV-1 infected TZM-bl cells with low power red laser reduces HIV-1 infection. The outcomes of this study further proved that when irradiation is used in conjunction with efavirenz, an antiretroviral drug, HIV-1 infection could be reduced to undetectable levels in TZM-bl cells. Through the coupling of transmission spectroscopy with optical trapping, and separately, use of luminescence spectroscopy, label free diagnosis of HIV in infected cell samples was achieved. This finding affirms that HIV-1 infection can be detected in a label free manner when using laser based techniques. Furthermore, the photoluminescence spectrometer system was employed to generate a decay curve, which was necessary so as to have some understanding on lifetime of the luminescent signal in infected TZM-bl cells. Finally, in order to confirm that indeed TZM-bl cells were infected, an established super-resolution microscopy system SIM was used to detect HIV-1 infection in TZM-bl cells. Indeed in the infected cells viral molecules p24 and gp41 were detected through SIM, while they were not detected in uninfected cells. In future studies, super resolution microscopy would be coupled to an optical trapping system in order to confirm that each trapped cells is whether infected or uninfected so as to improve HIV diagnosis. / College of Science, Engineering and Technology / Ph. D. (Science, Engineering and Technology)

Cette thèse décrit l'étude des gaz de fermions $^6$Li et de bosons<br />$^7$Li dans le régime quantique à très basse température. Le<br />refroidissement est obtenu par évaporation du $^7$Li dans un piège<br />magnétique très confinant. Puisque le refroidissement évaporatif<br />d'un gaz de fermion polarisé est quasiment impossible, le $^6$Li<br />est refroidi sympathiquement par contact thermique avec le $^7$Li.<br />Dans une première série d'expériences, les propriétés des gaz<br />quantiques dans les états hyperfins les plus élevés, piégés<br />magnétiquement, sont étudiées. Un gaz de $10^5$ fermions a une<br />température de 0.25(5) fois la température de Fermi ($T_F$) est<br />obtenu. L'instabilité du condensat pour plus de 300 atomes<br />condensés, à cause des interactions attractives, limite la<br />dégénérescence que l'on peut atteindre. Pour s'affranchir de cette<br />limite, une autre série d'expérience est menée dans les états<br />hyperfins bas, piégeable magnétiquement, où les interactions entre<br />bosons sont faiblement répulsives. Les collisions<br />inter-isotopiques permettent alors la thermalisation du mélange.<br />Le mélange d'un condensat de Bose-Einstein (CBE) de $^7$Li et d'un<br />mer de Fermi de $^6$Li est produit. Le condensat est quasi<br />unidimensionnel et la fraction thermique peut être négligeable. La<br />dégénérescence atteinte correspond à $T/T_C=T/T_F=0.2(1)$. La<br />température est mesurée à partir de la fraction thermique des<br />bosons qui disparaît aux plus basses températures, et limite notre<br />précision de mesure. Dans une troisième série d'expérience, les<br />bosons sont transférés dans un piège optique, et placé dans l'état<br />interne $|F=1,m_F=1\rangle$, l'état fondamental pour les bosons.<br />Une résonance de Feshbach est repérée puis exploitée pour former<br />un condensai où les interactions sont ajustables. Quand les<br />interactions effectives entre les atomes sont attractives, on<br />observe la formation d'un soliton brillant de matière. La<br />propagation de ce soliton sans dispersion sur une distance de<br />$1.1\,$mm est observée.

Ce mémoire s’inscrit dans le cadre des recherches sur les molécules ultra-froides, en forte expansion depuis plusieurs années. Contrairement aux atomes, les molécules ne peuvent que très difficilement être refroidies par laser. Il est donc nécessaire d’explorer des méthodes alternatives pour parvenir à la création de gaz moléculaires ultra-froids. Ce travail théorique s’est focalisé sur une classe particulière de molécules diatomiques hétéronucléaires, présentant un moment dipolaire électrique ou magnétique intrinsèque à l’origine de leurs interactions mutuelles anisotropes.Sur la base de la connaissance précise de la spectroscopie des molécules KRb et KCs (présentant un moment dipolaire électrique intrinsèque notable), combinée à des résultats théoriques, nous avons modélisé le refroidissement de leurs degrés de liberté internes au moyen du passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), processus laser conduisant les molécules dans leur état fondamental absolu. Plusieurs schémas STIRAP ont été discutés et comparés entre eux du point de vue de leur efficacité.Nous avons ensuite étudié la molécule RbCa, dont la spectroscopie est encore inconnue. Cette espèce est caractérisée par la présence conjointe d’un moment dipolaire électrique et magnétique permanent, qui présente un fort intérêt pour les possibilités de contrôle des interactions anisotropes qu’ils engendrent. Nous avons déterminé la structure électronique de RbCa par deux méthodes différentes de chimie quantique, permettant ainsi de qualifier la précision des résultats. Nous avons aussi proposé un schéma de transitions laser conduisant à la formation de molécules froides de RbCa à partir des atomes séparés.La manipulation et le piégeage de molécules repose sur la connaissance de leur réponse à un champ électromagnétique externe, caractérisée par leur polarisabilité dipolaire dynamique. Les calculs de chimie quantique entrepris plus haut nous ayant permis d’accéder à des états moléculaires très excités, nous avons déterminé cette quantité pour toute une série de molécules diatomiques (dimères alcalins, RbCa, RbSr,…). Nous avons ainsi pu déterminer les paramètres optimaux pour le piégeage laser de ces molécules. / This thesis deals with ultracold molecules research, which interest has been growing for several years. Unlike atoms, laser-cooling molecules is very difficult. Alternative methods are necessary to be searched for in order to create ultracold molecular gases. This theoretical work focuses on a particular type of heteronuclear diatomic molecules, possessing an intrinsic electric or magnetic dipole moment, from which originates their mutual anisotropic interactions.Based on the precise knowledge of KRb and KCs molecules (possessing a significant intrinsic electric dipole moment) spectroscopy, combined with theoretical results, the cooling of their internal degrees of freedom using Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), a laser process bringing molecules towards their absolute ground state, has been modelled. Several STIRAP schemes have been investigated and compared regarding their efficiency. The RbCa molecule has then been studied, which spectroscopy is still unknown. The ability of controlling the anisotropic interactions induced by the simultaneous presence of an electric and magnetic dipole moment provided by this species is a clear advantage. The electronic structure of RbCa has been computed with two methods, thus allowing to estimate the reliability of the results. A scheme of laser transitions bringing to the formation of cold RbCa molecules from separate atoms has been proposed.Manipulating and trapping molecules relies on the precise knowledge of their response to an external electromagnetic field, characterised by their dynamic dipolar polarisability. The quantum chemistry calculations mentioned earlier allowed us to compute high-lying excited states, dynamic polarisability has then been computed for a whole set of diatomic molecules (alkali dimers, RbCa, RbSr, …). The optimal parameters for trapping those molecules has then been determined.

Ce travail de thèse s’inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l’efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L’objectif de cette thèse a été d’explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s’appuie sur l’utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l’efficacité de l’approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d’un système optique permettant d’exciter les nanostructures photoniques - la conception d’un système d’imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l’aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d’abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d’obtenir des pièges optiques dont l’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s’appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu’à l’aide de cette approche des facteurs de qualités de l’ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l’aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l’ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent. / This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature.

Cette thèse constitue un ensemble de travaux et de réflexions sur la question de la modélisation d’expériences en nano-optique utilisant la méthode des différences finies dans le domaine fréquentiel (FDFD) et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). D’abord, un code FDFD bidimensionnel, dédié au calcul de modes propres de guides d’ondes optiques, a été mis en œuvre et testé à travers une comparaison avec des résultats publiés. Dans une deuxième grande partie, nous étudions le piégeage optique de petites particules (de taille microscopique) à l’aide d’une antenne à nano-ouverture papillon (BNA) gravée à l’extrémité d’une sonde de microscope optique métallisée. Le confinement de lumière obtenue à la résonance de la nano-antenne permet un piégeage 3-D des nanoparticules de latex. Une étude systématique a été menée pour quantifier la puissance de la lumière incidente nécessaire pour un piégeage stable. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été obtenu dans le cas d’une BNA opérant dans l’eau à _ = 1064 nm pour le piégeage de particules de latex de 250 nm de rayon. En outre, les résultats numériques pour de plus petites particules sont présentés et montrent qu’une telle configuration est capable de piéger des particules avec des rayons aussi petits que 30 nm. Troisièmement, nous avons étudié le processus de piégeage optique basé sur l’amélioration du confinement, non seulement du champ électrique comme dans le cas de la BNA, mais aussi du magnétique que peut exhiber l’antenne métallique type diabolo (DA). Cette dernière a été récemment proposée car elle présente une résonance avec un fort confinement magnétique. Nous avons amélioré le design afin qu’une double résonance, électrique et magnétique, ait lieu au centre de la nano-antenne. Ce double confinement a ensuite été exploité pour exalter le gradient de champ au voisinage de l’antenne et ainsi aboutir à de meilleures efficacités de piégeage (moindre puissance). De plus, les résultats des simulations montrent que le processus de piégeage dépend fortement des dimensions des particules et que, pour des géométries particulières, un piégeage sans contact peut être réalisé. Cette structure doublement résonnante ouvre la voie à la conception d’une nouvelle génération de nano-pinces optiques à forte efficacit / This thesis is a set of work and reflections on modeling the experiments in nano-optics by using the finite difference method in the frequency domain (FDFD), and in time domain (FDTD). First, a two-dimensional code FDFD, dedicated to the calculation the eigenmodes of optical waveguides, has been implemented and tested through a comparison with results found in the literature. In a second large part, we study the optical trapping of small particles (of microscopic size) by using a bowtie nanoaperture antenna (BNA) engraved at the end of a metal-coated near-field optical microscope tip. The confinement of light obtained at the resonance of the nano-antenna allows 3-D trapping of latex nanoparticles. A systematic study was conducted to quantify the power of incident light necessary for stable trapping. Good agreement between the experimental and numerical results was obtained in the case of a BNA operating in water at _ = 1064 nm for the trapping of latex particles having a radius of 250 nm-radius. In addition, numerical results for smaller particles are presented and show that such configuration is capable of trapping particles with radii reaching 30 nm. Third, we studied the optical trapping process based on improved confinement of the electric field as in the case of the BNA, but also of the magnetic field, by using a metallic diabolo shape antenna (DA). This latter has been recently proposed because it exhibits resonance with a strong magnetic field confinement. We have improved the design in such a way that a double resonance, electric and magnetic, takes place in the center of the nano-antenna. This dual confinement was then used in order to enhance the field gradient in its vicinity and thus obtain better efficiencies of the trapping (less power). In addition, the simulation results show that the trapping process is greatly dependent of the particles size, and also show that, for specificl geometries, a trapping without contact can be achieved. This doubly resonant structure opens the way to the conception of a new generation of optical nano-tweezers with high efficiency.

In a time when microorganisms are controlling the world, research in biology is more relevant than ever and this requires some powerful instruments. Optical tweezers use a focused laser beam to manipulate and probe objects on the nano- and microscale. This allows for the exploration of a miniature world at the border between biology, chemistry and physics. New methods for biophysical and physicochemical measurements are continuously being developed and at Umeå University there is a need for a new system that combines several of these methods. This would truly be the new Swiss army knife of biophysical and biomechanical research, extending their reach in the world of optical tweezing. My ambition with this project is to design and construct a robust system that incorporates optical trapping with high-precision force measurements and Raman spectroscopy, as well as introducing the possibility of generating multiple traps by using a spatial light modulator (SLM). The proposed design incorporates four different lasers and a novel combination of signal detection techniques. To allow for precise control of the systems components and laser beams, I designed and constructed motorized opto-mechanical components. These are controlled by an in-house developed software that handles data processing and signal analysis, while also providing a user interface for the system. The components include, motorized beam blockers and optical attenuators, which were developed using commonly available 3D printing techniques and electronic controllers. By designing the system from scratch, I could eliminate the known weaknesses of conventional systems and allow for a modular design where components can be added easily. The system is divided into two parts, a laser breadboard and a main breadboard. The former contains all the equipment needed to generate and control the laser beams, which are then coupled through optical fibers to the latter. This contains the components needed to move the optical trap inside the sample chamber, while performing measurements and providing user feedback. Construction and testing was done for one sub-system at a time, while the lack of time required a postponement for the implementation of Raman and SLM. The system performance was verified through Allan variance stability tests and the results were compared with other optical tweezers setups. The results show that the system follows the thermal limit for averaging times (τ) up to ~1 s when disturbances had been eliminated, which is similar to other systems. However, we could also show a decrease in variance all the way to τ = 2000 s, which is exceptionally good and not found in conventional systems. The force-resolution was determined to be on the order of femtonewtons, which is also exceptionally good. Thus, I conclude that this optical tweezers setup could lie as a solid foundation for future development and research in biological science at Umeå University for years to come.