After an intense development of optical tweezers as a biophysical tool during the last decades, quantitative experiments in living cells have not found in this technique its best ally, due, in part, to the lack of a reliable method to measure forces in complex environments. The attempts to overcome this problem either require complicated in situ calibrations, which make their use impossible in the study of dynamic processes, or they are inaccurate. Using a different approach, Steven Smith at Carlos Bustamante’s lab at the University of Berkeley developed a method based on the direct measurement of the momentum change of the trapping beam. However, its diffusion has been modest mainly because it requires a counter-propagating optical trapping system, which is difficult to implement and combine with other techniques. Although it has not been used for this purpose yet, it seems a more suitable method for in vivo experiments since the measurement depends only on some properties of the sensor apparatus but not on the experiment itself. On the other hand, the use of holographic optical tweezers in molecular biology experiments involving force and position measurements is still far from established. The existence of different effects associated to the use of spatial light modulators to create the optical traps has restricted their use. In this thesis, I present the work that I carried out in the Optical Trapping Lab – Grup de Biofotònica at the University of Barcelona related to these two subjects. During these years, I have focused on the implementation of the force detection method based on the conservation of the light momentum in single-beam optical traps, and on the analysis of several aspects of holographic tweezers oriented to their use in quantitative experiments.

En el campo de la fotónica, los elementos ópticos difractivos han encontrado un gran número de nuevas aplicaciones en muchas áreas diferentes, que cubren todo el espectro electromagnético desde la microscopía de rayos X, hasta la formación de imágenes con THz. Lentes difractivas convencionales, como las placas zonales de Fresnel, son esenciales en muchos de estos sistemas de focalización y formación de imágenes, pero tienen limitaciones inherentes principalmente bajo iluminación policromática. Para superar algunas de estas limitaciones, se ha propuesto un nuevo tipo de lentes difractivas multifocales basadas en estructuras aperiódicas, las placas zonales fractales. En esta tesis se presentan las propiedades de focalización de nuevas lentes difractivas diseñadas a partir de otras secuencias aperiódicas que mejoran el rendimiento de las placas zonales fractales ya conocidas. Las propiedades de focalización se han analizado teórica y experimentalmente. Para este último fin, se ha desarrollado expresamente un dispositivo experimental basado en un modulador espacial de luz de cristal líquido (SLM). Además, se discuten nuevas aplicaciones para estas lentes difractivas aperiódicas en el campo de la oftalmología como las lentes intraoculares y en el campo de la manipulación de objetos a escala nanométrica como las pinzas ópticas / Calatayud Calatayud, A. (2013). Diseño y Caracterización experimental de nuevas lentes difractivas basadas en geometrias aperiódicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/32829 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales