Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29346

Type: Tese
Title: Optical Tweezers with structured light and applications
Author(s)/Inventor(s): Fonseca, Arthur Luna da
Advisor: Maia Neto, Paulo Américo
Co-advisor: Viana, Nathan Bessa
Abstract: Essa tese é um trabalho sobre Pinças Ópticas com luz estruturada e suas aplicações em estudos sobre a dinâmica e as interações luz-matéria de partículas coloidais em nano e micro-escalas. Pinças ópticas são ferramentas de alto valor científico usadas para aprisionar partículas microscópicas e consistiam originalmente de um feixe laser fortemente focalizado que exerce uma força de gradiente em um objeto polarizável. Por esse motivo, pinças ópticas são chamadas alternativamente de armadilhas de força de gradiente com feixe único. Luz estruturada é um termo genérico usado para designar feixes luminosos que carregam estruturas espaciais de fase e polarização. Nessa tese discutiremos as aplicações de feixes vórtices no estudo da dinâmica de partículas submetidas a um potencial óptico biestável e apresentaremos os resultados teóricos, experimentais e numéricos desse projeto. Feixes vórtice são campos de luz estruturada que carregam momento angular orbital, que é caracterizado por uma estrutura de fase helicoidal em torno do eixo óptico e que possui uma carga topológica associada. O potencial biestável que apresentaremos é uma configuração nova para sistemas de aprisionamento óptico usando feixes vórtice. Essa configuração biestável de aprisionamento foi inicialmente prevista por meio de análises numéricas e posteriormente confirmada experimentalmente. Adicionalmente, apresentaremos nessa tese a teoria para forças ópticas de sistemas de aprisionamento usando feixes estruturados exóticos. Esses feixes são compostos por uma combinação de um par de modos vórtice com cargas topológicas e helicidade com sinais invertidos, o que resulta em um híbrido entre feixes vetorial cilíndrico (estrutura de polarização) e vórtice (estrutura de fase). Discutimos a aplicação desses feixes no estudo da interação entre luz quiral e matéria quiral, e apresentamos um proposta promissora de um sistema para separação enantiomérica de partículas Mie e dipolares, baseado unicamente em forças ópticas. O sistema proposto é baseado no controle independente, por meio de ajustes nos parâmetros experimentalmente acessíveis do feixe paraxial incidente, de diferentes graus de liberdade dos campos eletromagnéticos resultantes desses feixes híbridos ao serem fortemente focalizados.
Abstract: This thesis is a work about Optical Tweezers with structured light and their applications in the study of the dynamics and light-matter interactions of nano- and micro-scale colloidal particles. Optical Tweezers are invaluable scientific tools used to trap microscopic particles and originally consisted of a tightly focused laser beam exerting a gradient force on a polarizable object, hence the alternative name single-beam gradient force trap. Structured light is a generic term for light beams carrying a spatial structure of phase and polarization. In this thesis, we discuss the applications of vortex beams to study the dynamics of a particle embedded in a bistable potential, presenting a project that involved theoretical, experimental, and numerical results. Vortex beams are structured light fields that carry orbital angular momentum, which is encoded in a helical phase structure characterized by a topological charge. The bistable potential we present is a novel configuration for optical trapping systems employing vortex beam modes, and was first obtained from a numerical analysis and later confirmed experimentally. Additionally, we present the theory for optical forces using exotic beams composed of a combination of vortex modes, which results in a hybrid cylindrical vector and vortex beam. We discuss its application to the study of chiral light-chiral matter interactions and present a promising proposal for optical enantioseparation of Mie or dipolar particles using vector beams. The proposal is based on the fact that tightly focusing this family of exotic modes allows us to independently control different degrees of freedom of the field distribution by tweaking the input paraxial beam parameters.
Keywords: Pinças ópticas
Feixes vórtice
Luz estruturada
Óptica não-paraxial
Momento angular óptico
Interação spin-orbita
Movimento browniano
Quiralidade óptica
Optical tweezers
Vortex beams
Structured light
Non-paraxial optics
Optical angular momentum
Spin-orbit interaction
Brownian motion
Optical chirality
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Física
Production unit: Instituto de Física
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 28-Apr-2025
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Física

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