Interaction between randomly fluctuating ligth and small particlesoptical forces, effects of partial coherence and phenomena due to magneto-dielectric exictations

Resumen

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 El oscilador armónico cuántico. El papel de este original trabajo es el de desarrollar, analizar y demostrar el efecto que tiene la aleatoriedad de la luz en distintos tipos de partículas de actual interés. Para tal fin, la tesis se ha dividido en 5 partes: La primera parte hace una introducción a la teoría de procesos estocásticos, así como las herramientas matemáticas básicas para analizar la propagación de ondas electromagnéticas. La segunda parte analiza en profundidad los efectos asociados a la coherencia y polarización de la luz, haciendo hincapié a los efectos producidos en campo cercano y a la excitación de ondas superficiales plasmones. La tercera parte es el grueso de esta tesis. Se demuestra que la aleatoriedad de la luz afecta a las partículas a la hora de atraparlas por conservación de momento. Esto efecto es ejemplificado con el famoso fenómeno de interferencia de la doble rendija. La cuarta parte estudia los efectos de fuentes estadísticamente homogéneas a fuerzas ópticas. Se demostrara como podemos hacer análogos ópticos a las conocidas fuerzas del vacío. Esto nos da la oportunidad de controlar las diferentes fuerzas que emergen de las fluctuaciones del campo y de la partícula, así como analizar las diferentes contribuciones asociadas a la excitación de dipolos eléctricos y magnéticos en partículas magnetodieléctricas. La última parte extiende el estudio a fuentes de Schell. Estas fuentes se caracterizan por tener un grado de coherencia y una distribución espectral Gaussianas. Demostramos como con una fuente parcialmente coherente puede generar una fuerza idéntica a la que generaría un haz láser TEM00. También se estudiará el enlace óptico entre partículas a través de la representación de un campo estocástico en diferentes modos totalmente coherentes. Está herramienta nos ayudará a estudiar los fenómenos asociados a la coherencia de la luz y a las fuerzas ópticas.