Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers

The techniques of optical trapping and manipulation of neutral particles by lasers provide unique means to control the dynamics of small particles. These new experimental methods have played a revolutionary role in areas of the physical and biological sciences. This paper reviews the early developments in the field leading to the demonstration of cooling and trapping of neutral atoms in atomic physics and to the first use of optical tweezers traps in biology. Some further major achievements of these rapidly developing methods also are considered.

Noninvasive functional optical spectroscopy of human breast tissue

Near infrared diffuse optical spectroscopy and diffuse optical imaging are promising methods that eventually may enhance or replace existing technologies for breast cancer screening and diagnosis. These techniques are based on highly sensitive, quantitative measurements of optical and functional contrast between healthy and diseased tissue. In this study, we examine whether changes in breast physiology caused by exogenous hormones, aging, and fluctuations during the menstrual cycle result in significant alterations in breast tissue optical contrast. A noninvasive quantitative diffuse optical spectroscopy technique, frequency-domain photon migration, was used. Measurements were performed on 14 volunteer subjects by using a hand-held probe. Intrinsic tissue absorption and reduced scattering parameters were calculated from frequency-domain photon migration data. Wavelength-dependent absorption (at 674, 803, 849, and 956 nm) was used to determine tissue concentration of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, total hemoglobin, tissue hemoglobin oxygen saturation, and bulk water content. Results show significant and dramatic differences in optical properties between menopausal states. Average premenopausal intrinsic tissue absorption and reduced scattering values at each wavelength are 2.5- to 3-fold higher and 16–28% greater, respectively, than absorption and scattering for postmenopausal subjects. Absorption and scattering properties for women using hormone replacement therapy are intermediate between premenopausal and postmenopausal populations. Physiological properties show differences in mean total hemoglobin (7.0 μM, 11.8 μM, and 19.2 μM) and water concentration relative to pure water (10.9%, 15.3%, and 27.3%) for postmenopausal, hormone replacement therapy, and premenopausal subjects, respectively. Because of their unique, quantitative information content, diffuse optical methods may play an important role in breast diagnostics and improving our understanding of breast disease.

Stabilisation of low softening point petroleum pitch fibres by iodine treatment

A method using iodine has been developed for the stabilisation of low softening point (SP) pitch fibres that avoids air stabilisation in the production of carbon fibres (CF). The interaction between iodine and petroleum pitches has been studied by following the changes in the hydrogen content, aromatic or aliphatic, during the heat treatment of iodine-treated pitch fibres. Two low SP petroleum pitches were used and the iodine-treated pitch fibres were analysed by TGA, DSC, DRIFT, XPS and SEM. The results confirm that using this novel method pitches with low SP can be used to prepare CF with two advantages, compared with conventional methods. The stabilisation time is considerably reduced and treatments to increase the SP, usually required when low SP pitches are used to prepare CF, can be avoided.

Optical initialization, readout, and dynamics of a Mn spin in a quantum dot

We have investigated the spin preparation efficiency by optical pumping of individual Mn atoms embedded in CdTe/ZnTe quantum dots. Monitoring the time dependence of the intensity of the fluorescence during the resonant optical pumping process in individual quantum dots allows to directly probe the dynamics of the initialization of the Mn spin. This technique presents the convenience of including preparation and readout of the Mn spin in the same step. Our measurements demonstrate that Mn spin initialization, at zero magnetic field, can reach an efficiency of 75% and occurs in the tens of nanoseconds range when a laser resonantly drives at saturation one of the quantum-dot transition. We observe that the efficiency of optical pumping changes from dot-to-dot and is affected by a magnetic field of a few tens of millitesla applied in Voigt or Faraday configuration. This is attributed to the local strain distribution at the Mn location which predominantly determines the dynamics of the Mn spin under weak magnetic field. The spectral distribution of the spin-flip-scattered photons from quantum dots presenting a weak optical pumping efficiency reveals a significant spin relaxation for the exciton split in the exchange field of the Mn spin.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

The gospel of the Old Testament : an explanation of the types and figures by which Christ was exhibited under the legal dispensation /

Originally published under title: The figures or types of the Old Testament.

Coherent analysis of quantum optical sideband modes

We demonstrate a device that allows for the coherent analysis of a pair of optical frequency sidebands in an arbitrary basis. We show that our device is quantum noise limited, and hence applications for this scheme may be found in discrete and continuous variable optical quantum information experiments. (c) 2005 Optical Society of America.

Analysis of the effect of transverse modes on free-space optical interconnect performance

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and microlenses can be used to implement free space optical interconnects (FSOIs) which do not suffer from the bandwidth limitations inherent in metallic interconnects. A comprehensive link equation describing the effects of both optical and electrical noise is introduced. We have evaluated FSOI performance by examining the following metrics: the space-bandwidth product (SBP), describing the density of channels and aggregate bandwidth that can be achieved, and the carrier-to-noise ratio (CNR), which represents the relative strength of the carrier signal. The mode expansion method (MEM) was used to account for the primary cause of optical noise: laser beam diffraction. While the literature commonly assumes an ideal single-mode laser beam, we consider the experimentally determined multimodal structure of a VCSEL beam in our calculations. It was found that maximum achievable interconnect length and density for a given CNR was significantly reduced when the higher order transverse modes were present in Simulations. However, the Simulations demonstrate that free-space optical interconnects are still a suitable solution for the communications bottleneck, despite the adverse effects introduced by transverse modes.