Optical levitation of transparent microspheres

Abstract

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.