Trabalho de Conclusão de Curso

Documento

Autoria

Angelis, Vinicius Soares de

Unidade da USP

Data de Apresentação

Orientador

Ambrosio, Leonardo André

Banca

Borges, Ben Hur Viana
Carmo, João Paulo Pereira do

Título em Português

Espalhamento eletromagnético em óptica geométrica a partir de espalhadores esféricos: forças ópticas exercidas por ondas planas, feixes Gaussianos e de Bessel

Palavras-chave em Português

Eletromagnetismo
Manipulação e aprisionamento óptico
Regime de óptica geométrica
Forças ópticas

Resumo em Português

Pinças ópticas têm sido utilizadas para o aprisionamento e manipulação de partículas micrométricas e nanométricas visando aplicações em diversas áreas da biologia, medicina, física e engenharia. Diversos tipos de feixes focalizados têm sido aplicados com o objetivo de obter determinadas características de manipulação, com destaque para os feixes não difrativos como o feixe de Bessel e suas superposições de mesma frequência, conhecidas como Frozen Waves. Dada a importância desse assunto e o contexto das pesquisas teóricas sobre o mesmo no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, o objetivo desse trabalho envolve o desenvolvimento de um algoritmo para cálculo de forças ópticas no Regime de Óptica Geométrica produzidas por feixes vetoriais de perfil de campo arbitrário sobre partículas esféricas dielétricas homogêneas. Além disso, a amplitude de campo desses feixes é determinada em função da potência da fonte óptica. Essa análise é inédita no grupo de pesquisa sobre esse assunto no Departamento, já que ela permite expressar a transferência de momento do feixe para a partícula em Newtons ao invés da seção de choque de pressão de radiação. Pelo fato de considerar as componentes longitudinais de campo, as forças ópticas calculadas no Regime de Óptica Geométrica puderam ser comparadas com a teoria eletromagnética de forma que a diferença entre esses dois métodos seja devido apenas aos fenômenos ondulatórios como a difração. O algoritmo foi desenvolvido em Matlab e testado através de simulações de forças ópticas produzidas por ondas planas, feixes Gaussianos, feixes de Bessel e suas superposições discretas. A consideração da potência da fonte óptica permitiu comparar a ordem de grandeza das forças produzidas pelas Frozen Waves com a das forças produzidas por feixes convencionais como o Gaussiano. Além disso, os resultados indicam que a convergência entre o Regime de Óptica Geométrica e a teoria eletromagnética é lenta e oscilatória para partículas com índice de refração maior do que o do meio e rápida para partículas com índice de refração menor do que o do meio.

Palavras-chave em Inglês

Electromagnetism
Optical trapping and manipulation
Ray optics method
Optical forces

Resumo em Inglês

Optical tweezers have been used for trapping and manipulation of micrometric and nanometric particles aiming different kind of applications in biology, medicine, physics and engineering. Several types of focused beams have been used in order to achieve specific manipulation features, with emphasis on non diffractive beams such as Bessel beams and their superpositions with the same frequency known as Frozen Waves. Given the importance of this subject and the context of the theoretical researches on it at the Department of Electrical and Computer Engineering, the aim of this work involves the development of an algorithm for calculation of optical forces in the Ray Optics Method produced by arbitrary vector field profiles on spherical homogeneous dielectric particles. Moreover, the field amplitude of these beams are determined by taking into account the power of the optical source. This analysis is unprecedented in the research group on this subject at the Department, since it allows expressing the momentum transfer from the beam to the particle in newtons instead of in radiation pressure cross sections. By considering the longitudinal field components, the optical forces in the Ray Optics could be compared with that calculated by the electromagnetic theory in such a way that the difference between these two methods is due only to wave phenomena such as diffraction. The algorithm was developed in Matlab and tested by simulations of optical forces produced by plane waves, Gaussian beams, Bessel beams and their discrete superpositions. The power considerations allowed to compare the optical forces produced by the Frozen Waves with those produced by conventional beams such as the Gaussian one. Moreover, the results indicate that the convergence between the Ray Optics Method and the electromagnetic theory is slow and oscillatory for particles whose refractive index is greater than that of the host medium and fast when the particle’s refractive index is lower than that of the host medium.

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Data de Publicação

2019-03-25

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