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Trapping and 3D manipulation of vapor microbubbles: an experimental and theoretical analysis of the Marangoni effect
No full textThe trapping and manipulation of bubbles have been studied by several researchers from a distinct points of view due to the potential applications in numerous fields. The most common techniques to achieve the trapping and manipulation lie in thermal, optics, and acoustics phenomena. However, these techniques require a complex experimental setup and exhibit a lack of spatial accuracy. Moreover, the techniques are incapable to trap and manipulate bubbles bigger than 50 μm in diameter. In this thesis, we show both theoretical and experimental results concerning the 3D quasi-steady-state trapping and manipulation mechanism of ethanol vapor microbubbles up to 300 μm of diameter immersed in pure ethanol via optothermal effects employing low optical power, i.e., the laser radiation is absorbed by both a thin film and light bulk absorption in liquids. Thus, heating the liquid up to its boiling point and beyond, inducing a temperature gradient in the liquid. Drag, buoyancy, optical, and Marangoni forces are the main forces present due to both optothermal and hydrodynamics effects. The controlled generation of the ethanol vapor microbubbles lies on photothermally mechanism produced by the light absorption from silver nanoparticles, previously photodeposited on the core of one distal end of an optical fiber. The other distal end of the optical fiber is coupled to laser radiation, either CW laser or pulsed laser, at low power or low energy, respectively. The 3D trapping and manipulation of the photothermally-induced ethanol vapor microbubbles, immersed in a glass cell filled with pure ethanol, occurred by employing the same optical fiber configuration. Both the trapping and the manipulation of vapor microbubbles are driven by switching on and off the laser radiation, i.e., spatially switching the origin of the optothermal effects. Moreover, the vapor microbubbles can be trapped and manipulated within an optical fiber array (we explored an experimental setup composed of three fibers coupled to a three CW laser) emitting at different wavelengths at low power. The heart of the optothermal 3D trapping and manipulation of vapor microbubbles lies in the Marangoni effect.El confinamiento y manipulación de burbujas ha sido estudiada por varios investigadores desde distintos puntos de vista debido a las posibles aplicaciones en numerosos campos. Las técnicas más comunes para lograr el confinamiento y la manipulación radican en los fenómenos térmicos, ópticos y acústicos. Sin embargo, estas técnicas requieren una configuración experimental compleja y muestran una falta de precisión espacial. Además, las técnicas son incapaces de confinar y manipular burbujas de más de 50 μm de diámetro. En esta tesis, mostramos resultados tanto teóricos como experimentales sobre el mecanismo de confinamiento y manipulación 3D en estado-casi-estacionario de microburbujas de vapor de etanol de hasta 300 μm de diámetro sumergidas en etanol puro a través de efectos optotérmicos que emplean baja potencia óptica, es decir, la radiación láser es absorbida tanto por una película delgada como por una absorción ligera a granel en líquidos. Por tanto, calentar el líquido hasta su punto de ebullición y más allá, induce un gradiente de temperatura en el líquido. Las fuerzas de arrastre, flotabilidad, ópticas y de Marangoni son las principales fuerzas presentes debido a los efectos optotérmicos e hidrodinámicos. La generación controlada de microburbujas de vapor de etanol se basa en un mecanismo optotérmico producido por la absorción de luz de nanopartículas de plata, previamente fotodepositadas en el núcleo de un extremo distal de una fibra óptica. El otro extremo distal de la fibra óptica está acoplado a la radiación láser, ya sea láser CW o láser pulsado, a baja potencia o baja energía, respectivamente. El atrapamiento y manipulación 3D de las microburbujas de vapor de etanol inducidas optotérmicamente, sumergidas en una celda de vidrio llena de etanol puro, se produjo empleando la misma configuración de fibra óptica. Tanto el confinamiento como la manipulación de las microburbujas de vapor son impulsados por el encendido y apagado de la radiación láser, es decir, cambiando espacialmente el origen de los efectos optotérmicos. Además, las microburbujas de vapor se pueden atrapar y manipular dentro de un arreglo de fibras ópticas (exploramos una configuración experimental compuesta por tres fibras) acopladas a tres láseres de onda continua CW que emiten en diferentes longitudes de onda a baja potencia. El corazón del atrapamiento y manipulación optotérmica en 3D de microburbujas de vapor radica en el efecto Marangoni
Mezcla de dos ondas en dispositivos híbridos: cristal líquido y semiconductor
Get PDFIn recent years, holographic hybrid devices (those formed by organic and inorganic
materials) have attracted a lot of attention recently due to the high efficiency holograms and
large two-beam coupling gain coefficient. Very important applications for this cells can be
obtain such like images amplification, logic gates, associative memories, etc. So far, the
reported hybrid devices operates on the visible based on expensive photorefractive
materials.
Of particular interest is the development of near-infrared and infrared sensitive devices
for its potential applications to optical communications. For this reason, in this work we
report the fabrication and characterization of hybrid devices based on semi-insulating
gallium arsenide (GaAs SI) and nematic liquid crystals (5CB). The liquid crystal (LC) is
sandwiched between two windows of GaAs SI. Elvamide thin film (~150 nm) is deposited
on the two 600 μm thick GaAs windows and unidirectionally rubbed. The LC is aligned
parallel to the rubbing direction and to the substrates, but with a pre-tilt angle, wich is
necessary in these devices.
The holograms were written with an interference pattern from a diode laser (λ=1.064
μm) on one of the inorganic windows. Photogenerated charge carriers on the bright fringes
diffuse to the dark fringes where are trapped leading to the formation of a space charge
distribution and as a result an space charge electric field appears. The evanescent field
penetrates in to LC, reorient its molecules and producing an index modulation p/2-shifted
respect to the space charge field. The recorded grating induces an exchange of energy from
one beam into the other, making possible the amplification of one beam at the expense of
the other. We measure the energy exchange for devices of different thickness as function of
the grating spacing and found that the two-beam coupling gain is increased by a large factor
compared to the holograms recorded on pure GaAs. This feature makes possible the
implementation of such devices in optic communication systems.En años recientes los dispositivos híbridos han sido estudiados ampliamente debido a su
alta eficiencia y a un coeficiente de acoplamiento considerablemente alto, con esto, se
pueden obtener importantes aplicaciones tales como: amplificación de imágenes,
compuertas lógicas ópticas, memorias asociativas, etc. Hasta ahora, las únicas celdas de
esta clase reportadas han sido aquellas que operan en la región visible del espectro, con lo
cuál se requieren materiales fotorrefractivos de un costo muy elevado.
Existe un interés particular por desarrollar dispositivos que sean sensibles a la región del
infrarrojo cercano e infrarrojo para aplicaciones en sistemas de comunicaciones ópticas. Por
esta razón, en el trabajo presente se muestra la fabricación y caracterización de dispositivos
híbridos compuestos por dos ventanas fotorrefractivas inorgánicas de GaAs semiaislante
(GaAs SA), entre las cuales es colocada una capa de cristal líquido nemático (CL 5CB). Se
deposita una película delgada (~150 nm) de Elvamide sobre los sustratos de GaAs y se
aplica la técnica de rubbing de manera unidireccional, con esto las moléculas de CL se
distribuyen uniformemente en el sustrato con un ángulo de pre-inclinación, lo cual es
necesario en estos dispositivos.
Los hologramas fueron grabados con un diodo láser (λ=1.064 μm) formando un patrón
de interferencia en una de las ventanas inorgánicas. Los portadores de carga, fotogenerados
en las zonas brillantes, se difunden a las zonas oscuras del patrón creando una distribución
de carga espacial y en consecuencia un campo eléctrico. El campo evanescente proveniente
del GaAs penetra las moléculas de CL, con esto se obtiene un cambio en el índice de
refracción y el holograma creado en el dispositivo híbrido induce la amplificación de un
haz a expensas del otro.
Se midió el intercambio de energía para celdas con diferentes grosores en función del
periodo de la rejilla y se encontró que la ganancia de acoplamiento de dos haces incrementa
por un factor amplio comparado con hologramas grabados solamente en el fotorrefractivo,
con lo cual se abre la posibilidad de aplicar estos dispositivos en sistemas de
comunicaciones ópticas
Exploración de cuasi partículas elásticas de cristal líquido inducidas por campo en movimiento
Get PDFLiquid crystals are intriguing materials that lead to a new field of physics due to the wide range of applications and characteristics they present, for example: birefringence, phase transitions, anisotropy (electrical, optical and mechanical) and solid-liquid duality. The main objective of this work is the study of the generation and characterization of the dynamics of micro structures in a nematic liquid cristal films under different anchoring conditions. The destabilization of a system in a state of equilibrium is achieved by the application of an electric and/or magnetic field, which causes the formation of patterns that can induce an in homogeneous distribution in the orientation of the liquid crystal molecules. As a result, localized micro structures may arise, whose direction of displacement depends on the initial orientation of the molecules. This phenomenon was found in two different liquid crystals with several spatial distributions of the homogeneous initial director. The reproduction of recent results, in the simple case of uniform alignment (published in 2018 [1]), was successfully achieved, as well as the detection of structures in a liquid crystal cell with non-uniform planar anchoring and homeotrope anchoring, which led to original research results.Los cristales líquidos son materiales intrigantes que dieron paso a un nuevo campo de la física debido a la amplia gama de aplicaciones y características que presentan, por ejemplo: birrefringencia, transiciones de fase, anisotropía, dualidad sólido-líquido. El presente trabajo tiene como objetivo principal el estudio de la generación y caracterización de la dinámica de micro estructuras en una película de cristal líquido nemático, bajo diferentes condiciones de anclaje. Las moléculas de un cristal líquido confinadas en una celda es un sistema en equilibrio, el director puede ser desestabilizado al aplicar un campo eléctrico y/o magnético, que provoca la formación de patrones que a su vez pueden inducir una distribución no homogénea en la orientación del director. Como resultado, pueden surgir micro estructuras localizadas, cuya dirección de desplazamiento depende de la orientación inicial de las moléculas. Este fenómeno se encontró en dos cristales líquidos diferentes con varias distribuciones espaciales del director inicial homogéneo. La reproducción de resultados recientes, en el caso simple de alineación plana uniforme (publicado en 2018 [1]), se logró exitosamente, así como la detección de estructuras en una celda de cristal líquido con anclaje plano no uniforme y anclaje homeótropo, que condujeron a obtener resultados de investigación originales
Termocavitación para la Generación De Chorros Líquidos de Alta Velocidad
Get PDFLa administración de fármacos para la defensa del organismo contra infecciones o enfermedades constituye un pilar imprescindible en el área de la salud. En la actualidad, se aplican millones de dosis de vacunas para combatir nuevos virus. Por tal motivo, continúan implementándose diversas alternativas de inyección para solventar algunas de las desventajas asociadas al uso de inyecciones con aguja, como lo son: la fobia a las agujas, la contaminación por desechos tóxicos, contagios por el mal manejo, etc. Este trabajo se enfoca en la generación de chorros líquidos para su uso como un dispositivo de inyección sin agujas. El dispositivo microfluídico fue implementado en vidrio y se puede clasificar dentro de los métodos de inyección ópticos, pues se basa en el principio de termocavitación. Esto se define como la creación, crecimiento y colapso de una burbuja de vapor que se forma dentro de un líquido a partir de la absorción de luz láser. La formación de la burbuja en el dispositivo induce la generación de un chorro con la velocidad suficiente para penetrar la piel. El análisis de video con una cámara de alta presión y velocidad mostro que la velocidad máxima promedio de la pared de la burbuja es de aproximadamente 10 a 25 m/s para casi cualquier combinación de parámetros del láser. Sin embargo, un diseño optimizado de la cámara y la boquilla permite obtener chorros con una velocidad promedio de ∼70 m/s. El volumen expulsado por disparo (0.1 a 2 μl) se puede controlar mediante la intensidad del láser. El inyector presentado en este trabajo puede realizar hasta 20 disparos antes de rellenar la cámara. Se demuestra la penetración de chorros en agar a diferentes concentraciones y piel porcina ex-vivo. Los inyectores sin aguja basados en termocavitación pueden ser prometedores para desarrollarse comercialmente, debido a su costo y dimensiones compactas.The administration of drugs to defend the body against infections or diseases is an essential pillar in the area of health. Currently, millions of doses of vaccines for new viruses are administered. For this reason, various injection alternatives continue to be implemented to solve some of the disadvantages associated with the use of needle injections, such as: phobia of needles, contamination by toxic waste, infections due to mishandling, etc. This work focuses on the generation of liquid jets for use as a needle free injection device. The microfluidic device was implemented in glass and can be classified within optical injection methods since it is based on the principle of thermocavitation, which can be defined as the creation, growth and collapse of a vapor bubble that forms inside a liquid at from the absorption of a laser light source. The formation of the bubble in the device induces the generation of a jet with sufficient speed to penetrate the skin. Video analysis with a high-speed camera showed that the average maximum velocity of the bubble wall is approximately 10–25 m/s for almost any combination of laser parameters. However, an optimized design of the chamber and nozzle allows jets with an average velocity of ∼70 m/s to be obtained. The volume ejected per shot (0.1 to 2 μl) can be controlled by the laser intensity. The injector presented in this work can perform up to 20 shots before filling the chamber. The penetration of jets into agar of different concentrations and ex-vivo porcine skin is demonstrated. Thermocavitation-based needle free injectors may be promising for commercial development due to their cost and compact size
Polarimetría para la caracterización de nano-estructuras moldeadoras topológicas de luz
Get PDFSe estudió la teoría de “Polarización” y “Polarimetría” con el objetivo de construir un
polarímetro. Este instrumento fue instalado y probado midiendo algunas matrices de Mueller
de elementos conocidos para validarlo. Con la experiencia adquirida se realizó el estudio
de una técnica, recientemente propuesta, para la generación y control de vórtices ópticos.
La técnica se basa en el diseño de estructuras cuyo contorno es el resultado de un conjunto
discreto de deformaciones de una circunferencia. Para el desarrollo del experimento se contó
con estructuras grabadas sobre un película de oro (partículas, aberturas y rendijas) de 60
y 200 nm de espesor sobre un sustrato de vidrio, con un número de deformaciones m = 3,
4 y 5 para cada espesor. Se midió la retardancia y la circulación de la fase a lo largo del
contorno de cada estructura; se confirmó que es posible manipular la circulación de la fase
en función de la geometría de la estructura, además, que también es posible controlar la
retardancia en función del espesor. La propagación del haz transmitido a campo lejano para
confirmar la generación del vórtice queda para un trabajo futuro
Estudio teórico de fuerzas en pinzas ópticas
No full textThis thesis presents a unified study of the theory involved in optical trapping, which aims to be a comprehensive guide for students and / or teachers who in the future want or need to enter the area of optical tweezers. Starting with a historical introduction, we proceeded to the study of electromagnetic fields and a search for solutions to Maxwell's equations, which naturally led us to the definition of electric and magnetic transverse modes based on the vector spherical harmonics that are fundamental for the study of particle scattering and allow this phenomenon to be studied more precisely with the use of the T matrix, which is used by a large number of scientists from the optical entrapment and manipulation community. With the help of the MATLAB software, particle trapping was simulated, the T matrix and various parameters of interest were calculated with different types of lasers, numerical apertures, among others, thus giving a comprehensive and unified study of the forces and other variables involved in optical tweezers. Finally, the inclusion of the Mathieu beams to the \ Optical Tweezers Toolbox " developed by the optical micromanipulation group of the University of Queensland is presented, which will allow to study in depth the forces in the optical traps generated by this type of beams, something not reported so far.En esta tesis se presenta un estudio unificado de la teoría involucrada en el atrapamiento óptico, que pretende ser una guía comprensiva para estudiantes y/o profesores que en un futuro quieran o necesiten entrar al área de pinzas ópticas. Comenzando con una introducción histórica se procedió al estudio de los campos electromagéticos y una búsqueda de soluciones a las ecuaciones de Maxwell lo cual nos llevó de manera natural a la definición de modos transversales eléctricos y magnéticos en función de los armónicos esféricos vectoriales que son fundamentales para el estudio del esparcimiento de partículas y permiten estudiar de manera más precisa este fenómeno con el uso de la matriz T, la cual es socorrida por gran cantidad de científicos de la comunidad de atrapamiento y manipulación ótica. Con ayuda del software MATLABTM se simuló el atrapamiento de partículas, se calculó la matriz T y diversos parámetros de interés con diferentes tipos de láser, aperturas numéricas, entre otros, dando así un estudio amplio y unificado de las fuerzas y demás variables involucradas en pinzas ópticas. Finalmente se presenta la inclusion de los haces Mathieu al \Optical Tweezers Toolbox" desarrollado por el grupo de micromanipulación óptica de la Universidad de Queensland lo cual permitirá estudiar a fondo las fuerzas en las trampas ópticas generadas por este tipo de haces, algo no reportado hasta ahora
Towards needle-free injection by thermocavitation in microfluidic devices
Get PDFIn this work the continuous wave (C.W) laser-based cavitation or
thermocavitation is explored as a microfluidic tool. Particularly, this thesis
focused in the generation of liquid microjets by means of thermocavitation
bubble expansion in confined regions. Specially designed microfluidic devices
were fabricated to generate fast microjets (velocities up to 100 m/s), with the
aim of study its penetration depth in low concentration agar phantoms, which
mechanical properties are similar to human skin, besides of being transparent
and elastic gels. The maximum penetration depth (1 mm) with a single jet shot
and the use of low to medium power (100 mW) CW laser, reveal the potential
of this system to develop a needle-free injector portable, affordable, compact
and reusable in a near future. This, with the final goal of avoiding the issues
caused by needles such as needle-stick injuries, transmission of diseases and
waste contamination.En este trabajo de tesis se explora la termocavitación o cavitación con láser de
onda continua (O.C) como una herramienta para la microfluídica.
Particularmente, esta investigación se enfoca en la generación de micro
chorros o jets, mediante la expansión de una burbuja de termocavitación en
regiones confinadas. Se fabricaron dispositivos microfluídicos, especialmente
diseñados para generar jet a altas velocidades (100 m/s), con el objetivo de
estudiar su penetración en geles de agar a bajas concentraciones, cuyas
propiedades mecánicas son similares a las de la piel humana, además de ser
un polímero transparente y elástico. La máxima profundidad de penetración
adquirida (1 mm) con un solo disparo de jet y el uso de un láser de onda
continua de media a baja potencia (100 mW), revelan el potencial de este
sistema para fabricar un inyector de fármacos libre de agujas, portátil,
asequible, compacto y reusable en un futuro. Esto, con la finalidad de evitar los
problemas que conlleva el uso de jeringas como mecanismo de inyección, tales
como transmisión de enfermedades, lesiones y contaminación de residuos
Hologramas dinámicos en dispositivos híbridos de cristal líquido
Get PDFEn 1888 el biólogo austriaco Friedrich Reintzer se encontraba realizando investigaciones sobre derivados orgánicos del colesterol, específicamente estudiaba efectos térmicos en estos compuestos. Reintzer se percató que al calentar este sólido a 145°C se convertía en un líquido turbio y después de 179°C se convertía en un líquido transparente. En el proceso de enfriado, también, se pudo observar que a las mismas temperaturas anteriores ocurrían las transformaciones opuestas. Con estas observaciones se pudo concluir que estos compuestos presentaban dos transiciones de fase sucesivas. En 1889 el cristalógrafo alemán Otto Lehmann descubrió que el líquido turbio poseía características ópticas y una estructura molecular similar a la de un cristal solido y así recibió el nombre de cristal líquido [1]
Acoustic rotational streaming and angular momentum transfer to matter driven by ultrasonic acoustic vortices
Get PDFMechanical effects of waves on material media is a powerful option to achieve contactless
manipulation in a controlled manner, which has already found numerous applications in optics and
acoustics. A basic example consists of absorption-mediated wave-matter exchange of linear and/or
angular momentum that light or sound may carry. To date, the demonstration of all kinds of
exchanges mediated by dissipative processes have been carried out experimentally. Moreover, nondissipative
exchanges of linear and angular momentum between waves and matter are also
possible.
Furthermore, recent works have observed indirectly that acoustic vortices impart momentum to a
fluid unveiling a rotational flow of the liquid. This rotational flow is the counterpart of the classical
acoustic streaming, which is the linear motion along the beam propagation direction that results
from momentum transfer due to thermoviscous dissipations induced sound absorption. This
rotational flow induced by the radiation torque exerted on the sound absorbing fluid through which
the acoustic beam propagates, circulates around the propagation direction of the acoustic vortex.
First we report on orbital angular momentum exchange between sound and matter
mediated by a non-dissipative chiral scattering process. The experimental demonstration is made
by irradiating a three-dimensional printed, spiral-shaped chiral object using an incident ultrasonic
beam carrying zero orbital angular momentum. This is the acoustic analog of an optical spiral phase
plate (SPP) but for sound waves. Chiral refraction is shown to impart a nonzero orbital angular
momentum to the scattered field and to rotate the object. This result constitutes a proof-of-concept
of a novel kind of acoustic angular manipulation of matter.
After that, we report the first direct experimental demonstration of acoustic rotational
streaming as result of the exchange of momentum between an acoustic vortex and fluid with PMMA
particles used as tracers of the flow. It is shown that the system behaves as a Fabry –Pérot like cavity
for acoustic waves. Experimental results and observations are sustained by a small model developed
for the system providing a first approach to this phenomenon
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