Resonancias electromagnéticas en el scattering de luz por superficies y objetos : detección y caracterización de objetos ocultos, campo cercano y fuerzas ópticas

摘要

Se presenta un estudio de resonancias electromagnéticas en objetos iluminados próximos a interfases. Los propósitos son: 1,- Detección y caracterización de estos objetos cuando están ocultos bajo superficies rugosas aleatorias y planas. 2,- Excitación de resonancias en nanopartículas en el campo electromagnético cercano (usando planos como acopladores y modificadores de su estructura). 3,- El estudio de fuerzas ópticas, tanto para el análisis y modificación de sus componentes por la existencia de resonancias, como para hacer un modelo de microscopía óptica de fuerzas. Las resonancias electromagnéticas, también llamadas resonancias de Mie, son efectos de reforzamiento del campo en objetos. Estas se dan un espectro discreto de frecuencias de la onda incidente, y para un tamaño y material específicos del objeto. Después de una introducción, en la que se aprende la física del fenómeno en objetos dieléctricos (llamado, en este caso, modos de galería susurrante) y metálicos (que son ahora plasmones superficiales), se investiga su influencia sobre los campos reflejados por superficies rugosas aleatorias y planas que separan dos medios dieléctricos, cuando se tiene un objeto desconocido enterrado que pretendemos detectar y caracterizar a través de su espectro de resonancias. Posteriormente, se investiga, también, cómo se modifica el campo cercano a la interfase por la presencia de dicho objeto. Esta primera parte de la tesis tiene interés desde en geociencia hasta en física médica. La segunda y tercera parte se encuadran en el marco de la nanociencia. La segunda constituye un estudio del campo cercano en nanopartículas (interno y externo) cuando se excitan resonancias, descubriendo la estructura inhomogénea de modos. Se analizan los efectos que el scattering múltiple provoca en los modos, como consecuencia de la cercanía a una interfase que actúa, al mismo tiempo, de acopladora cuando se trabaja con ondas evanescentes. La tercera parte está dedicada al estudio de fueras ópticas. El tema es novedoso y atractivo, puesto que las fuerzas son muy débiles y tienen relevancia a nivel molecular. Las aplicaciones en biofísica son claras, y las posibilidades tecnológicas actuales dan sentido a su investigación. Se ha tratado el tema desde el nivel de primeros principios hasta el de aplicaciones. Se analizan, en primer lugar, las componentes de scattering y gradiente de la fuerza, y se explican las condiciones de fuerza atractiva y repulsiva de las mismas, así como el comportamiento bajo excitación de una resonancia en la partícula. Posteriormente, se desarrolla la Microscopía Fotónica de Fuerzas, que constituye un modelo de obtención y análisis de topografías superficiales a escala nanométrica. Éste se construye mediante la transducción en señal de microscopía, de las fuerzas ejercidas por un campo evanescente (que circula en una superficie rugosa) sobre una nanosonda