Dynamics of Microparticles Optically Trapped in Vacuum

Abstract

Mikročástice levitující ve vakuu pouze za pomoci silových účinků světla představuje mechanický systém, který je extrémně dobře izolován od okolních a jeho zdrojů šumu. Tato unikátní vlastnost poskytuje tomuto systému nevídanou citlivost na změny okolních podmínek. V předkládané práci je popsáno technické řešení experimentální sestavy pro optické chytání ve vakuu, která byla realizována v laboratořích skupiny levitační fotoniky Ústavu přístrojové techniky AVČR v Brně. Dále je prezentována experimentální studie dynamiky částice zachycené v kruhově polarizovaném optickém poli, které generuje nekonzervativní složku pole optické síly. Následuje experimentální pozorování a popis dynamiky dvou opticky vázaných mikročástic ve volném prostoru ve vakuu, což je konfigurace, která nebyla nikdypředtím realizována. Závěrem je představena zcela originální metoda pro odhad silového pole optické pasti založená na analýze stochastické trajektorie zachycené částice.

A microparticle levitating in vacuum only by optical forces constitutes a mechanical system which is extremely well isolated from its environment, including its sources of noise. This unique feature provides the system with outstanding sensitivity on any change of surrounding conditions. We introduce a unique experimental set-up for trapping in vacuum which we built the Institute of scientific instruments of CAS in Brno. Subsequently we provide an experimental study of mechanical effect of circularly polarized light which, contrary to linearly polarized light, generates non-conservative contribution to the optical force field. We follow by presenting observation of optical binding of two particles in free space in vacuum which has never been realised before and show how the inter-particle interaction can be tuned and characterized. In the end we introduce a promissing method for optical force field estimation based on particles stochastic trajectory analysis.