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http://inaoe.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1009/2417| Trapping and 3D manipulation of vapor microbubbles: an experimental and theoretical analysis of the Marangoni effect | |
| Julio Aurelio Sarabia-Alonso | |
| RUBEN RAMOS GARCIA | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Optothermal effects Optical trapping and manipulation Marangoni effect Thermal gradient | |
| The trapping and manipulation of bubbles have been studied by several researchers from a distinct points of view due to the potential applications in numerous fields. The most common techniques to achieve the trapping and manipulation lie in thermal, optics, and acoustics phenomena. However, these techniques require a complex experimental setup and exhibit a lack of spatial accuracy. Moreover, the techniques are incapable to trap and manipulate bubbles bigger than 50 μm in diameter. In this thesis, we show both theoretical and experimental results concerning the 3D quasi-steady-state trapping and manipulation mechanism of ethanol vapor microbubbles up to 300 μm of diameter immersed in pure ethanol via optothermal effects employing low optical power, i.e., the laser radiation is absorbed by both a thin film and light bulk absorption in liquids. Thus, heating the liquid up to its boiling point and beyond, inducing a temperature gradient in the liquid. Drag, buoyancy, optical, and Marangoni forces are the main forces present due to both optothermal and hydrodynamics effects. The controlled generation of the ethanol vapor microbubbles lies on photothermally mechanism produced by the light absorption from silver nanoparticles, previously photodeposited on the core of one distal end of an optical fiber. The other distal end of the optical fiber is coupled to laser radiation, either CW laser or pulsed laser, at low power or low energy, respectively. The 3D trapping and manipulation of the photothermally-induced ethanol vapor microbubbles, immersed in a glass cell filled with pure ethanol, occurred by employing the same optical fiber configuration. Both the trapping and the manipulation of vapor microbubbles are driven by switching on and off the laser radiation, i.e., spatially switching the origin of the optothermal effects. Moreover, the vapor microbubbles can be trapped and manipulated within an optical fiber array (we explored an experimental setup composed of three fibers coupled to a three CW laser) emitting at different wavelengths at low power. The heart of the optothermal 3D trapping and manipulation of vapor microbubbles lies in the Marangoni effect.
El confinamiento y manipulación de burbujas ha sido estudiada por varios investigadores desde distintos puntos de vista debido a las posibles aplicaciones en numerosos campos. Las técnicas más comunes para lograr el confinamiento y la manipulación radican en los fenómenos térmicos, ópticos y acústicos. Sin embargo, estas técnicas requieren una configuración experimental compleja y muestran una falta de precisión espacial. Además, las técnicas son incapaces de confinar y manipular burbujas de más de 50 μm de diámetro. En esta tesis, mostramos resultados tanto teóricos como experimentales sobre el mecanismo de confinamiento y manipulación 3D en estado-casi-estacionario de microburbujas de vapor de etanol de hasta 300 μm de diámetro sumergidas en etanol puro a través de efectos optotérmicos que emplean baja potencia óptica, es decir, la radiación láser es absorbida tanto por una película delgada como por una absorción ligera a granel en líquidos. Por tanto, calentar el líquido hasta su punto de ebullición y más allá, induce un gradiente de temperatura en el líquido. Las fuerzas de arrastre, flotabilidad, ópticas y de Marangoni son las principales fuerzas presentes debido a los efectos optotérmicos e hidrodinámicos. La generación controlada de microburbujas de vapor de etanol se basa en un mecanismo optotérmico producido por la absorción de luz de nanopartículas de plata, previamente fotodepositadas en el núcleo de un extremo distal de una fibra óptica. El otro extremo distal de la fibra óptica está acoplado a la radiación láser, ya sea láser CW o láser pulsado, a baja potencia o baja energía, respectivamente. El atrapamiento y manipulación 3D de las microburbujas de vapor de etanol inducidas optotérmicamente, sumergidas en una celda de vidrio llena de etanol puro, se produjo empleando la misma configuración de fibra óptica. Tanto el confinamiento como la manipulación de las microburbujas de vapor son impulsados por el encendido y apagado de la radiación láser, es decir, cambiando espacialmente el origen de los efectos optotérmicos. Además, las microburbujas de vapor se pueden atrapar y manipular dentro de un arreglo de fibras ópticas (exploramos una configuración experimental compuesta por tres fibras) acopladas a tres láseres de onda continua CW que emiten en diferentes longitudes de onda a baja potencia. El corazón del atrapamiento y manipulación optotérmica en 3D de microburbujas de vapor radica en el efecto Marangoni. | |
| Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| 2022-06 | |
| Tesis de doctorado | |
| Inglés | |
| Estudiantes Investigadores Público en general | |
| Sarabia Alonso, Julio Aurelio, (2022), Trapping and 3D manipulation of vapor microbubbles: an experimental and theoretical analysis of the Marangoni effect, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. | |
| ÓPTICA | |
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| Aparece en las colecciones: | Doctorado en Óptica |
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