Optical levitation of transparent microspheres
Autor
García Alonso, MaríaFecha
2021Resumen
El objetivo del presente trabajo fue el estudio del funcionamiento de una trampa
óptica. Para ello, con la utilización de un láser de Titanio-Zafiro, bombeado por un láser
DPSSL de 532 nm, se logra levitar una microesfera de sílice en una cavidad debido a las
fuerzas de presión de radiación. Las fuerzas ejercidas sobre la microesfera son la fuerza
de gradiente y la fuerza de scattering. La fuerza de scattering tiene como dirección la
dirección de propagación del haz y la fuerza de gradiente apunta transversalmente hacia
la región de alta intensidad del haz.
Además de los dos láseres mencionados, otros materiales necesarios para la
realización del estudio fueron: un filtro de densidad neutra gracias al cual a pesar de
utilizar el láser a alta potencia (donde fluctúa menos) se logra la potencia correcta en la
trampa, un fotodiodo conectado a un osciloscopio; un par de espejos para redireccionar
el haz láser y el sistema de la trampa óptica.
Para poder realizar la captura de la microesfera es necesario alinear,
previamente. los elementos del banco óptico, para que el haz del láser pase de forma
perpendicular a la mesa al atravesar la cavidad donde se vierten las microesferas en seco
con la ayuda de una pipeta. Se intenta, a la hora de soltarlas, hacerlo de forma que pasen
por el spot del láser (donde focaliza) ya que es ahí donde se confinan.
Así mismo, para poder observar la captura de las microesferas es necesario
focalizar con anterioridad, en el spot, la cámara utilizada para las grabaciones del
movimiento de la muestra. Como último preparativo antes de la realización del
experimento, hay que maximizar la salida del láser Ti:Sapp con el movimiento
controlado de los espejos internos del mismo; este proceso debe repetirse al comienzo
de cada sesión de laboratorio.
Una vez preparado el lugar de trabajo se realizan varios vídeos de la microesfera
levitando para cada potencia del láser de bombeo, así como la grabación en el
osciloscopio de la intensidad del láser. Esto último se logra conectando un fotodiodo,
sobre el que incide una reflexión del haz láser causada por el filtro de densidad neutra
situado en el banco óptico, al osciloscopio.
Dado que el objetivo era el estudio de la relación entre las oscilaciones de la
posición de la muestra y las fluctuaciones del láser, se realizaron manipulaciones de los
datos obtenidos en el laboratorio para poder trabajar con ello. En el caso de los vídeos
de la microesfera, primeramente, fueron tratados con el software “Avi Converter”, para
dividirlos en fotogramas y obtener así una imagen de la microesfera cada cierto
intervalo de tiempo; posteriormente, con un programa en Mathematica, se obtuvieron
las coordenadas de la posición de la microesfera para cada uno de los fotogramas
anteriores. Para el caso de los datos de intensidad obtenidos con el osciloscopio se
utiliza la relación entre los voltajes proporcionados por el osciloscopio y la potencia del
láser de bombeo, así como la relación de la potencia del láser tras el filtro y de la
potencia del láser de bombeo, para terminar obteniendo de los voltajes dados la potencia
del láser en la trampa óptica.
Al representar los datos de posición de la microesfera según las distintas
potencias del láser de bombeo se observó que presentaban una cierta inclinación debido
a que la cámara, en el momento de las grabaciones, presentaba una rotación hacia un
lateral. Por ello se seleccionó un eje para establecer el ángulo de inclinación de los datos
y poder rotarlos. Solventada dicha desfiguración de los datos se pudo ver en que, a
partir de una cierta potencia del láser de bombeo, las posiciones de la microesfera
dejaban de estar concentradas en una zona y presentaban una distribución elíptica. Para
establecer si este hecho era producto de las fluctuaciones del láser se procedió a realizar
un análisis del espectro de potencias de los datos.
El espectro de potencias de una señal proporciona el número de veces que dicha
señal oscila por segundo. Al aplicar el espectro sobre los datos de posición en eje X e Y
por separado y sobre los de la potencia del láser en la trampa, se observó que solo los
datos del eje Y obtenidos a baja potencia del láser de bombeo presentaban un patrón de
oscilación similar al del láser en la trampa, por lo que las fluctuaciones del láser no son
las responsables de la anómala situación. Esto lleva a pensar que esta dispersión de la
posición de la microesfera en suspensión se deba a un cambio en las propiedades del
láser en la cavidad, producido por el efecto de lente térmica en el filtro de densidad
neutra. Dicho efecto provoca un cambio en el índice de refracción del material, debido a
que este presenta un gradiente de temperatura al haber absorbido parcialmente el haz
láser. No se pudo concluir si este efecto era el único causante o si el filtro presentaba
dicho efecto al faltar datos para realizar el cálculo.
De las representaciones gráficas del espectro también se puede concluir que,
cuanto mayor es la potencia del láser de bombeo, menos oscilaciones de la posición por
segundo presenta la microesfera pero que la amplitud de esa oscilación para el eje Y
aumenta.
Los datos obtenidos en el presente trabajo permiten abrir nuevos frentes de
estudio, para comprender qué características del haz láser producen esta alteración de
los datos, así como ver cómo afectan estas a las fuerzas de scattering y gradiente,
generadoras de la captura de la microesfera.