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http://inaoe.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1009/2696| Atrapamiento óptico en presencia de efectos térmicos generados por luz láser | |
| Juan Israel Vázquez Lozano | |
| Ruben Ramos-Garcia Ulises Ruiz | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Optical tweezers thermal effects convection currents thermophoresis colloidal crystals | |
| Manipulation and trapping of particles have taken a huge relevance in recent years thanks to many applications with revolutionary contributions to diverse fields. Several experiments have demonstrated that thermal effects can improve the current micromanipulation techniques such as DNA manipulation1 or assembly of colloidal crystals2. In this work, we present the effect of laser-induced thermal effects, such as convection currents and thermophoresis, on the trap stiffness (spring constant) constant of an optical trap of micrometer sized particles suspended in water. These effects result from light absorption in a thin layer of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) deposited at the bottom of the chamber, generating a thermal gradient and consequently convective currents and thermophoresis. The velocity´s convective gradient produces a force similar to the optical gradient that increases the stiffness of the trap. A trapped particle can be dragged along by moving the translation stage of the sample (leaving the beam fixed) at velocities around 90 μm/s without escaping the trap, whereas in the absence of the a-Si:H film, the escape velocity of the particle in the trap drops to velocities around 30 μm/s. Along the light propagation axis, the convective and thermophoretic forces partially compensate for the scattering force displacing the particle equilibrium position out of focus, allowing multiple trapping along the propagation distance. This presents a simple, yet effective, option for optical manipulation at low powers (<5 mW) and its possible applications in manipulating a variety of biological micro samples. A technique is presented for the formation and two-dimensional manipulation of colloidal crystals, employing laser-induced thermophoretic forces and convective flows. This process is initiated by light absorption from a low-power laser focused on a titanium thin film. Particles are trapped at the center of the laser beam via convective forces, enabling both crystal assembly and real-time 2D manipulation. These techniques can become a great tool for science and technology to the manufacture of novel photonic materials. La manipulación y el atrapamiento de partículas han cobrado una gran relevancia en los últimos años gracias a numerosas aplicaciones con contribuciones revolucionarias en diversos campos. Diversos experimentos han demostrado que los efectos térmicos pueden mejorar las técnicas actuales de micromanipulación, como la manipulación de ADN o el ensamblaje de cristales coloidales. En este trabajo, presentamos el efecto de los fenómenos térmicos inducidos por láser, como las corrientes de convección y la termofóresis, sobre la rigidez del atrapamiento (constante elástica) de una trampa óptica para partículas de tamaño micrométrico suspendidas en agua. Estos efectos resultan de la absorción de luz en una fina capa de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) depositada en el fondo de la cámara, generando un gradiente térmico y, consecuentemente, corrientes convectivas y termofóresis. El gradiente de velocidad de las corrientes convectivas produce una fuerza similar al gradiente óptico que incrementa la rigidez de la trampa. Una partícula atrapada puede ser arrastrada al mover el escenario de traslación de la muestra (manteniendo fijo el haz) a velocidades cercanas a 90 μm/s sin escapar de la trampa, mientras que, en ausencia de la capa de a-Si:H, la velocidad de escape de la partícula atrapada disminuye a aproximadamente 30 μm/s. A lo largo del eje de propagación de la luz, las fuerzas convectivas y termoforéticas compensan parcialmente la fuerza de dispersión, desplazando la posición de equilibrio de la partícula fuera del foco y permitiendo el atrapamiento múltiple a lo largo de la distancia de propagación. Esto presenta una opción simple pero efectiva para la manipulación óptica a bajas potencias (<5 mW) y sus posibles aplicaciones en la manipulación de diversas muestras biológicas microscópicas. Además, se presenta un método para la formación y manipulación de cristales coloidales en 2D debido a las fuerzas termoforéticas inducidas por láser y los flujos convectivos generados por la absorción de luz de un láser de muy baja potencia enfocado en una película delgada de titanio (Ti). Las partículas son atrapadas en el centro del haz láser únicamente por fuerzas convectivas, logrando la formación de cristales, así como la manipulación en 2D de los mismos en tiempo real. Estas técnicas pueden convertirse en una gran herramienta para la ciencia y la tecnología en la fabricación de nuevos materiales fotónicos. | |
| Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| 2025-07 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Estudiantes Investigadores Público en general | |
| Vázquez Lozano, J. I., (2025), Atrapamiento óptico en presencia de efectos térmicos generados por luz láser, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| ÓPTICA | |
| Versión aceptada | |
| acceptedVersion - Versión aceptada | |
| Aparece en las colecciones: | Doctorado en Óptica |
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