Behaviour of Objects in Structured Light Fields and Low Pressures

Abstract

Studium chování opticky zachycených částic nám umožňuje porozumět základním fyzikálním jevům plynoucím z interakce světla a hmoty. Předkládaná práce podává vysvětlení zesílení tažné síly působící na opticky svázané částice ve strukturovaném světelném poli, tzv. tažném svazku. Ukazujeme, že pohyb dvou opticky svázaných objektů v tažném svazku je silně závislý na jejich vzájemné vzdálenosti a prostorové orientaci, což rozšiřuje možnosti manipulace hmoty pomocí světla. Následně se práce zaměřuje na levitaci opticky zachycených částic ve vakuu. Představujeme novou metodologii na charakterizaci vlastností slabě nelinearního Duffingova oscilátoru reprezentovaného opticky levitující částicí. Metoda je založena na průměrování trajektorií s určitou počáteční pozicí ve fázovém prostoru sestávajícím z polohy a rychlosti částice a poskytuje informaci o parametrech oscilátoru přímo ze zaznamenaného pohybu. Náš inovativní postup je srovnán s běžně užívanou metodou založenou na analýze spektrální hustoty polohy částice a za využití numerických simulací ukazujeme její použitelnost i v nízkých tlacích, kde nelinearita hraje významnou roli.A deeper understanding of behaviour of optically trapped particles reveals underlying physical phenomena arising from the light-matter interaction. We present an explanation of the enhancement of the pulling force acting on optically bound particles in the structured optical field, so--called tractor beam. It is demonstrated that the motion of two optically bound objects in a tractor beam strongly depends on their mutual distance and spatial orientation, which adds an extra flexibility to our ability to control matter with light.\newline Subsequently, the thesis is focused on the optical levitation of a particle in a vacuum. We propose a novel methodology for a characterization of properties of a weakly nonlinear Duffing oscillator represented by an optically levitated nanoparticle. The method is based on averaging recorded trajectories with defined initial positions in the phase space of nanoparticle position and momentum and provides us with the oscillator parameters directly from the recorded motion. Our innovative approach is compared with the commonly used power--spectral--density fitting, and exploiting numerical simulations, we show its applicability even at lower pressures where the nonlinearity starts to play a~significant role.