Interaction between randomly fluctuating light and small particles: optical forces, effects of partial coherence and phenomena due to magneto-dielectric excitations

Memoria presentada para optar al grado de Doctor en la Universidad Complutense de Madrid.

Detalles Bibliográficos
Autor: Auñón García, Juan Miguel
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2014
País:España
Institución:Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Repositorio:DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC
OAI Identifier:oai:digital.csic.es:10261/99641
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10261/99641
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Optical forces
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CSIC - Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)
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spelling Interaction between randomly fluctuating light and small particles: optical forces, effects of partial coherence and phenomena due to magneto-dielectric excitations Interacción entre la luz aleatoria fluctuante y partículas pequeñas: fuerzas ópticas, efectos de coherencia parcial y fenómenos debidos a excitaciones magneto-dieléctricas Auñón García, Juan Miguel Optical forces Optical coherence Scattering Optical tweezers Surface waves Memoria presentada para optar al grado de Doctor en la Universidad Complutense de Madrid. [EN] The work of this thesis is focused on the analysis of fluctuating electromagnetic fields (area denoted optical coherence) applied to optical forces (conservation of momentum of light). The theory of optical forces for deterministic fields is a thoroughly studied area. The main consequences are commonly applied to the area of biology, where the trapping of particles is of vital importance. However, the effect of the fluctuations of the fields generated by an optical source is often neglected. Hitherto, we did not know almost anything about the effects of the fluctuation fields in the mechanical action of particles, i.e, if they could be beneficial or harmful when put into practice. This thesis will try to propose simple models which will help to understand this new feature of light. Although this thesis is purely theoretical, we have attempted to provide experimental proposals as well as we have tried to estimate the physical quantities which could be measured in a laboratory.The origin of optical coherence became important around the 50s with the early work in theory of coherence and polarization of light with E. Wolf as the main precursor. A seemingly unrelated domain of study arose with the works of such renowned names as Casimir, London and Liftshitz among others, on forces generated by the vacuum energy fluctuations. These studies showed the attraction between objects due to the vacuum energy (E = ¯h!/2, the quantum harmonic oscillator). My role in this thesis has been to develop, analyze and demonstrate the effect of the randomness of light in different types of particles of current interest. [ES] El trabajo de esta tesis está enfocado al análisis de campos electromagnéticos fluctuantes (área denominada coherencia óptica) aplicado a fuerzas ópticas (conservación del momento de la luz). La teoría de fuerzas ópticas por campos deterministas es un área estudiada en profundidad. Sus principales consecuencias son comúnmente aplicadas al área de la biología, donde el atrapamiento y manejo de partículas es de vital importancia. No obstante, el efecto que tienen las fluctuaciones de los campos generados por una fuente de luz, suelen ser pasados por alto. Hasta ahora, no se sabia prácticamente nada sobre cual era el efecto de las fluctuaciones de la luz en la acción mecánica de las partículas, es decir, si podían ser favorables o perjudiciales a la hora de llevarlos a la practica. En esta tesis se ha intentado proponer sencillos modelos que ayuden al entendimiento de esta nueva característica de la luz. Aunque esta tesis es puramente teórica, siempre se han intentando dar propuestas experimentales, así como se ha intentado estimar las magnitudes físicas que se podrían medir en un laboratorio. El origen de la coherencia óptica toma importancia en torno a la década de los 50 con los primeros trabajos en teoría de coherencia y polarización de la luz con E. Wolf como principal precursor. Por otro lado, en esa misma época surgieron también los primeros trabajos de fuerzas generadas por fluctuaciones energéticas del vacío, con nombres tan reconocidos como Casimir, London o Liftshitz entre otros. En estos trabajos se demostraba la atracción entre objetos debido a la energía del vacío (E = ¯h!/2, el oscilador armónico cuántico). Mi papel aquí es el de desarrollar, analizar y demostrar el efecto que tiene la aleatoriedad de la luz en distintos tipos de partículas de actual interés. Gracias a las autoridades competentes que han financiado mi investigación, en concreto a los proyectos: FIS2009-13430-C02-01, Consolider NanoLight CSD2007-00046 y FIS2012-36113-C03- 03. I. Introduction to the theory of coherence and angular spectrum representation of wavefields. II. Spatial correlations and three-dimensional degree of polarization in the near-field of statistically homogeneous sources: effects on surface waves. III. Theory of optical forces from partially coherent light. IV. Optical forces from statistically homogeneous fluctuating sources. V. Optical forces from Gaussian Schell-model sources Peer reviewed Universidad Complutense de Madrid CSIC - Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) http://hdl.handle.net/10261/99641
_version_ 1878436986569621504
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Universidad Complutense de Madrid
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