Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29603

Type: Dissertação
Title: Pinças ópticas: compensação de aberrações ópticas via modulação espacial de luz
Author(s)/Inventor(s): Boa Morte, Marcel Alentejo da
Advisor: Viana, Nathan Bessa
Co-advisor: Ether Junior, Diney Soares
Abstract: Nesta dissertação, avaliamos um método de compensação de aberrações ópticas numa pinça óptica construída com um feixe gaussiano, utilizando a constante elástica transversa como sonda. A metodologia baseia-se na determinação da constante elástica da pinça óptica por meio da relação de Stokes-Faxén a partir do deslocamento da posição de equilíbrio inicial do centro de massa da esfera aprisionada provocado por uma força viscosa constante. O estudo teve como objetivo avaliar o efeito das aberrações na constante elástica transversa, assim como a eficácia do método proposto para correção das aberrações ópticas do sistema utilizado. Para tal fim, as medidas foram realizadas em microesferas com raio no intervalo no qual as aberrações tendem a reduzir a constante de aprisionamento transversa. As mudanças nas frentes de onda foram feitas usando um modulador espacial de luz, usando os coeficientes de Zernike de primeira ordem das seguintes aberrações: aberração esférica, astigmatismo, coma e “trefoil”. Um modelo teórico para pinças ópticas no regime de espalhamento Mie, incluindo a aberração esférica introduzida por uma interface vidro-água, foi utilizado para avaliar a constante elástica. O efeito das aberrações é avaliado comparando as situações com e sem as compensações efetuados pelo modulador de fase. Constata-se que as principais aberrações para redução da constante elástica foram a aberração esférica e astigmatismo. Observou-se uma melhora do desempenho das pinças ópticas, principalmente para a menor microesfera. Além disso, demonstramos que o critério de maximização da constante elástica pode ser empregado somente para determinados intervalos de raios, com base nos resultados teóricos. Confrontando o modelo teórico com os resultados experimentais, verifica-se que, apesar do aumento da performance para esferas com raios menores que metade do comprimento de onda do laser aprisionador, e do acordo para esferas com raio próximo ao comprimento de onda, a condição de otimização não foi alcançada. Imperfeições na polarização ou no controle da fase modulada podem ser responsáveis por esse resultado.
Abstract: In this dissertation, we evaluate a method for compensating optical aberrations in na optical trap built with a Gaussian beam, using the transverse elastic constant as a probe. The methodology is based on determining the optical trap’s elastic constant via the Stokes– Faxén relation from the displacement of the initial equilibrium position of the trapped sphere’s center of mass caused by a constant viscous force. The study aimed to evaluate the effect of aberrations on the transverse elastic constant, as well as the effectiveness of the proposed method for correcting optical aberrations in the system used. For this purpose, measurements were carried out on microspheres with radii within the range where aberrations tend to reduce the transverse trapping constant. Wavefront modifications were made using a spatial light modulator, applying first-order Zernike coefficients for the following aberrations: spherical aberration, astigmatism, coma, and trefoil. A theoretical model for optical traps in the Mie scattering regime, including spherical aberration introduced by a glass–water interface, was used to evaluate the elastic constant. The effect of aberrations is assessed by comparing situations with and without the compensations made by the phase modulator. It was found that the main aberrations reducing the elastic constant were spherical aberration and astigmatism. An improvement in the performance of the optical trap was observed, especially for the smallest microsphere. Furthermore, we demonstrate that the criterion of maximizing the elastic constant can only be applied within specific radii ranges, based on theoretical results. Comparing the theoretical model with experimental results, it is found that, despite the performance improvement for spheres with radii smaller than half the wavelength of the trapping laser, and the agreement for spheres with radii close to the wavelength, the optimization condition was not achieved. Imperfections in polarization or modulated phase control may be responsible for this result.
Keywords: Pinças ópticas
Constante elástica
Compensação de aberrações
Optical tweezers
Elastic constant
Aberration compensation
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: 29-Sep-2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Física

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