Thermal gradients effects on optical tweezing : a holographic microscopy study

One of the most widespread methods for trapping and manipulating colloidal particles is optical tweezing, a technique exploiting a tightly focused laser beam to create an optical trap. In this thesis I have studied the effects on optical trapping that arise due to the partial absorption of the trapping beam by the medium. To this aim I have developed an optical tweezer coupled to a holographic microscope capable of 3D-tracking. The trapping beam of choice is a near-IR laser working at 975 nm, a wavelength corresponding to a vibrational overtone in the absorption spectrum of water, which is therefore partially absorbed by aqueous samples. The consequent localized temperature increase generates, at the same time, natural convection of the solvent and particle thermophoresis, namely particle drift driven by thermal gradients. I have theoretically investigated and experimentally tested the consequences of these concurrent effects, focusing in particular on the perturbation on the Brownian motion of a particle trapped in a harmonic potential due to convection. If the fluid velocity is assumed to be constant over the spatial scale of the trap, the advective flow leads only to a displacement of the average particle position but does not affect the particle RMS displacement with respect to this displaced origin. What is instead strongly enhanced by convection is the capture range of the tweezer trap. As a consequence, one can generate a thermo-optical trap in which the harmonic potential where particles are confined is solely due to optical forces whereas the capture mechanism is dominated by convection. This effect can be exploited to induce strong concentration gradients in particle dispersions.

Uno dei metodi più diffusi di intrappolamento e manipolazione di particelle colloidali è l'optical tweezing, una tecnica che sfrutta un fascio laser fortemente focalizzato per creare una trappola ottica. In questa tesi ho studiato gli effetti sull'intrappolamento ottico in seguito ad un assorbimento parziale del fascio di trapping da parte del mezzo. A questo fine ho sviluppato un optical tweezer accoppiato ad un microscopio olografico in grado di eseguire tracking 3D. Il fascio di trapping scelto è un laser nel vicino infrarosso a 975 nm, una lunghezza d'onda che corrisponde ad un picco vibrazionale nello spettro di assorbimento dell'acqua e che è dunque parzialmente assorbita da campioni acquosi. Il conseguente aumento localizzato di temperatura genera, allo stesso tempo, convezione del solvente e termoforesi delle particelle, cioè un moto di particelle causato da un gradiente termico. Ho investigato dal punto di vista teorico e testato sperimentalmente le conseguenze di questi effetti, concentrandomi in particolare sulla perturbazione del moto Browniano di una particella intrappolata in un potenziale armonico data dalla convezione. Se la velocità del fluido è costante sulla scala spaziale della trappola, il flusso avvettivo porta soltanto ad una variazione della posizione media della particella e non influenza il suo spostamento quadratico medio da questa nuova origine. Ciò che invece è largamente aumentato dalla convezione è il range di cattura della trappola ottica. È dunque possibile generare una trappola termo-ottica in cui il potenziale armonico dove le particelle sono confinate è dovuto solamente a forze ottiche e il meccanismo di cattura è invece dominato dalla convezione. Questo effetto può essere sfruttato per indurre forti gradienti di concentrazione in dispersioni di particelle.