Optical levitation of transparent microspheres.

Abstract

Una trampa óptica es un dispositivo diseñado para confinar un pequeño dieléctrico, esto se consigue focalizando la luz de un láser monocromático en una pequeña región (llamada spot) con la ayuda de una lente, la cual debe estar aislada para cubrir posibles perturbaciones externas. En este trabajo en concreto, la luz se propaga de forma vertical, perpendicular al suelo. Dos fuerzas son las que provocarán que el objeto dieléctrico no caiga, permaneciendo levitando durante un periodo de tiempo extenso. La fuerza de dispersión, que ‘empuja’ al dieléctrico (microesfera de Sílica) ejerciendo una fuerza vertical en el sentido de propagación de la luz láser, esta fuerza puede imaginarse como si bombardeáramos con fotones a la microesfera; y la fuerza de gradiente, la cual atrae al dieléctrico a la zona donde la densidad de energía de la luz es mayor, para comprender esto es necesario puntualizar que aunque la luz procedente del láser posee una distribución gaussiana (manteniendo una simetría más o menos homogénea) al pasar por una lente la distribución de dicha gaussiana cambia, focalizando en un único punto donde en comparación con sus proximidades su valor es muy alto, es decir existe un valor máximo de gradiente en el spot y los objetos serán atraídos hacia esa región. A pesar de tener un funcionamiento sencillo existen bastante inconvenientes difíciles se sortear debido a complicaciones experimentales. Lograr que una microesfera pase por una sección pequeña del espacio requiere tiempo y técnica, además cuando esto se consiga realmente no estará situada en el spot, si no en zonas superiores, que dependiendo de la divergencia de la trampa (un parámetro relacionado con la fuerza de gradiente), puede alejarse de la aproximación lineal que aborda este trabajo. Tras construir la trampa óptica usando el material del laboratorio, y alguna que otra pieza hecha de forma artesanal, se procede a la preparación de una muestra. Las muestras de las que se habla no son otra cosa que microesferas, para lograr atrapar una es necesario soltar muchas de ellas cerca del spot y esperar que alguna pase justo por esa región tan pequeña, teniendo en cuenta que la potencia aplicada sobre ella sea la justa como para que no caiga o salga disparada por exceso de potencia. Para preparar dicha muestra se realiza una mezcla de isopropanol y microesferas, con ayuda de un gotero se esparce por un vidrio rectangular y se calienta, esperando que el isopropanol se evapore y deje distribuida de forma uniforme las microesferas por la superficie. Experimentalmente se comprobó que si la muestra era demasiado homogénea despegarlas del vidrio era más complicado, por lo que se intentó realizar en pequeñas aglomeraciones. Una vez preparada la muestra, se coloca boca abajo dentro de la cabina de confinamiento y se le propina un golpe, con lo que las microesferas consiguen despegarse, formando con suerte una pequeña nube que pase por el spot. Durante este trabajo se produjeron dos atrapamientos; en el primero de ellos, aunque efímero se consiguió atrapar un sistema de tres microesferas, dos de ellas pegadas y la otra levitando sobre estas últimas. Aunque singular, este evento no sirvió para aportar medidas, ya que era demasiado inestable, solo se consiguió fotografiar gracias a una cámara que apuntaba al spot. El segundo y último de ellos fue más fructífero, se atrapó una sola microesfera y usando una cámara de mayor resolución espacial se realizaron videos de su movimiento cambiando la potencia aplicada, finalmente cayó debido a que se bajó la potencia demasiado, provocando que la esfera dejase de levitar. A continuación, se realizó el procesamiento de los datos, el video se descompuso en fotogramas y con la ayuda de un programa de Mathematica se hizo un rastreo del centroide que aportaba la imagen, asignando coordenadas espaciales acorde a su posición y de tiempo según el orden de estas. Usando Python se representaron en gráficas el movimiento de oscilación de todas las medidas tomadas, realizando un ajuste gaussiano a la probabilidad de presencia para saber la amplitud de la trayectoria seguida por la microesfera. No sin antes corregir fallos evidentes en las medidas tomadas, eliminando su contribución. Uno de los objetivos de este trabajo es calcular la fuerza y constante elástica que caracteriza a la trampa. Para el cálculo de la constante y fuerza elástica, se aproximó la microesfera levitando a un oscilador armónico, por lo que hallando su frecuencia y su masa basta para conseguir los resultados. La frecuencia fundamental de oscilación se consiguió estimar haciendo una transformada rápida de Fourier, atendiendo a sus picos más altos, la masa y radio se estimó usando la media que ofrecía el bote de muestras de microesferas de sílica. Si bien armar una trampa óptica y ponerla a funcionar ya es un logro, antes del inicio de la cuarentena se habían programado muchas más medidas, sencillas de realizar con elementos ya disponibles en el laboratorio, el aspecto teórico ya había sido estudiado y solo faltaba realizar nuevas capturas de microesferas. Se resumen todos los conceptos teóricos y comportamiento experimental esperados usando como referencia artículos científicos de la bibliografía. Por último, se habla sobre las posibles mejoras realizables, para obtener mayor calidad en futuros experimentos y abriendo posibilidades a nuevas ideas a las que sacar partido.