RT info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
T1 Optical levitation of transparent microspheres.
A1 Castro Luis, Guillermo
AB Una trampa óptica es un dispositivo diseñado para confinar un pequeñodieléctrico, esto se consigue focalizando la luz de un láser monocromático enuna pequeña región (llamada spot) con la ayuda de una lente, la cual debe estaraislada para cubrir posibles perturbaciones externas. En este trabajo en concreto, la luz se propaga de forma vertical, perpendicular al suelo. Dos fuerzasson 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 enel sentido de propagación de la luz láser, esta fuerza puede imaginarse como sibombardeáramos con fotones a la microesfera; y la fuerza de gradiente, la cualatrae 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 delláser posee una distribución gaussiana (manteniendo una simetría más o menoshomogénea) al pasar por una lente la distribución de dicha gaussiana cambia,focalizando en un único punto donde en comparación con sus proximidades suvalor es muy alto, es decir existe un valor máximo de gradiente en el spot y losobjetos serán atraídos hacia esa región.A pesar de tener un funcionamiento sencillo existen bastante inconvenientesdifíciles 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 enzonas superiores, que dependiendo de la divergencia de la trampa (un parámetrorelacionado con la fuerza de gradiente), puede alejarse de la aproximación linealque aborda este trabajo.Tras construir la trampa óptica usando el material del laboratorio, y algunaque otra pieza hecha de forma artesanal, se procede a la preparación de unamuestra. 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 yesperar que alguna pase justo por esa región tan pequeña, teniendo en cuentaque la potencia aplicada sobre ella sea la justa como para que no caiga o salgadisparada por exceso de potencia. Para preparar dicha muestra se realiza unamezcla de isopropanol y microesferas, con ayuda de un gotero se esparce por unvidrio rectangular y se calienta, esperando que el isopropanol se evapore y dejedistribuida de forma uniforme las microesferas por la superficie. Experimentalmente se comprobó que si la muestra era demasiado homogénea despegarlas delvidrio 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 deconfinamiento y se le propina un golpe, con lo que las microesferas consiguendespegarse, 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, dosde ellas pegadas y la otra levitando sobre estas últimas. Aunque singular, esteevento no sirvió para aportar medidas, ya que era demasiado inestable, solo seconsiguió fotografiar gracias a una cámara que apuntaba al spot. El segundo y último de ellos fue más fructífero, se atrapó una sola microesfera y usandouna cámara de mayor resolución espacial se realizaron videos de su movimientocambiando la potencia aplicada, finalmente cayó debido a que se bajó la potencia demasiado, provocando que la esfera dejase de levitar. A continuación, serealizó el procesamiento de los datos, el video se descompuso en fotogramas ycon la ayuda de un programa de Mathematica se hizo un rastreo del centroideque aportaba la imagen, asignando coordenadas espaciales acorde a su posicióny de tiempo según el orden de estas. Usando Python se representaron en gráficas el movimiento de oscilación de todas las medidas tomadas, realizando unajuste gaussiano a la probabilidad de presencia para saber la amplitud de latrayectoria seguida por la microesfera. No sin antes corregir fallos evidentes enlas medidas tomadas, eliminando su contribución.Uno de los objetivos de este trabajo es calcular la fuerza y constante elásticaque caracteriza a la trampa. Para el cálculo de la constante y fuerza elástica, seaproximó la microesfera levitando a un oscilador armónico, por lo que hallandosu 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 usandola 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, antesdel inicio de la cuarentena se habían programado muchas más medidas, sencillasde realizar con elementos ya disponibles en el laboratorio, el aspecto teórico yahabía sido estudiado y solo faltaba realizar nuevas capturas de microesferas. Seresumen todos los conceptos teóricos y comportamiento experimental esperadosusando como referencia artículos científicos de la bibliografía. Por último, sehabla sobre las posibles mejoras realizables, para obtener mayor calidad enfuturos experimentos y abriendo posibilidades a nuevas ideas a las que sacarpartido.
YR 2020
FD 2020
LK http://riull.ull.es/xmlui/handle/915/20665
UL http://riull.ull.es/xmlui/handle/915/20665
LA es
DS Repositorio institucional de la Universidad de La Laguna
RD 04-may-2024