Mechanical effects of light in presence of optical spin-orbit interaction

par Hernando Magallanes González

Thèse de doctorat en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Etienne Brasselet.

Le président du jury était Simon Hanna.

Le jury était composé de Etienne Brasselet, Simon Hanna, Laurent Dupont, Karen Patricia Volke-Sepúlveda.

Les rapporteurs étaient Laurent Dupont, Karen Patricia Volke-Sepúlveda.

  • Titre traduit

    Effets optomécaniques en présence de couplage spin-orbite pour la lumière


  • Résumé

    Des interactions entre la matière et la lumière sont à l'origine de phénomènes opto-mécaniques. L'une des caractéristiques distinctives de l'interaction lumière-matière est l'interaction spin-orbite de la lumière. Cette dernière s'étudie au sein d'un domaine de recherche émergent consacré à l'étude des effets opto-mécaniques en présence de l'interaction entre la polarisation et des degrés de liberté spatiaux de la lumière. En particulier, ce travail vise à observer directement la manifestation (i) des forces latérales et (ii) des couples optiques gauches qui sont des effets opto-mécaniques contre-intuitifs. On utilise pour cela des milieux non homogènes et anisotropes comme ingrédients essentiels à la fabrication d’éléments optiques spin-orbite. Nous rapportons tout d'abord, les tentatives d’observations expérimentales directes, à partir des résultats préliminaires obtenus préalablement dans notre groupe de recherche. Nous présentons ensuite de nouvelles propositions d'expérimentations ainsi qu'une généralisation adaptée au cas des forces latérales. Par conséquent, nous rapportons d’une observation directe à l’échelle du millimètre des forces latérales optiques et des couples optiques gauches dépendantes du spin en effectuant une étude complète. Il ressort de l'analyse des deux phénomènes que leurs vitesses peuvent être augmentées en réduisant l'inertie ou la taille des éléments optiques spin-orbite au point de rendre les phénomènes significatifs à l'échelle microscopique et intéressants pour les applications technologiques. Nous faisons un rapport chronologique de notre travail expérimental consistant à observer le moment de force orienté à gauche à l'échelle du micromètre en utilisant des versions miniaturisées des échantillons précédents. Comme la dernière tentative n’était pas concluante, nous finissons par proposer de nouvelles stratégies prometteuses pour manipuler de tels micro-objets.


  • Résumé

    Interactions between light and matter cause optomechanical phenomena, where a distinctive feature of light-matter interaction, namely, the spin-orbit interaction of light, takes place within an emerging research area dedicated to the study of optomechanical effects in the presence of the interplay between polarization and spatial degrees of freedom of light. In particular, this work aims to directly observe the manifestation of (i) lateral forces and (ii) left-handed torques, which are counterintuitive optomechanical effects, by using inhomogeneous and anisotropic media as a critical ingredient for the manufacture of spin-orbit optical elements. Hence, we report on their direct experimental observations attempts, starting from the preliminary results obtained in our group before this work, and then present our new proposals and further generalization to the case of lateral forces. Consequently, we report on a millimeter-scale direct observation of optical spin-dependent lateral forces and left-handed torques with a full study. From the analysis of both phenomena, it turns out that their speed can be increased by reducing the spin-orbit optical elements inertia or size, making the phenomena relevant at microscopic-scale and interesting for technological applications. Thus, we account for our experimental journey chronologically, to observe the left-handed torque at micrometer-scale with samples that correspond to miniaturized versions of previous ones. Since the last results were inconclusive, we finish by proposing new strategies of manipulation of such micro-elements with promising implementation.


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