• Inicio
• Investigación
• Grupo de Trabajo
• Colaboraciones
• Publicaciones
• Cursos
• Divulgación
• Reconocimientos
• Links

Investigadora Titular B

Departamento de Física Teórica, Instituto de Física

Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)

English version

E-mail: karen@fisica.unam.mx

Responsable del Laboratorio de Micromanipulación Óptica del IFUNAM

El laboratorio de micromanipulación óptica fue creado en 2004 por Karen Volke y Rocío Jáuregui, investigadoras del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM). Desde entonces ha sido un espacio de investigación y docencia, además de ser un lugar de visita habitual en actividades de divulgación dentro del instituto. Hasta el momento, el laboratorio ha tenido entre sus miembros a más de 15 estudiantes de diferentes niveles, desde doctorado hasta servicio social, y un investigador posdoctoral.
Nuestra misión es realizar investigación de frontera, tanto básica como aplicada, en temas que involucren la óptica y su relación con otras disciplinas, así como formar recursos humanos de excelencia. Para entender los fenómenos que estudiamos y poder explotarlos al máximo en términos de aplicaciones, siempre buscamos el complemento entre investigación teórica y experimental.

Si estás interesado en realizar posdoctorado, tesis (a cualquier nivel) o servicio social, no dudes en ponerte en contacto.

La física de propagación de la luz y las fuerzas de origen óptico se investigan utilizando métodos tanto teóricos (analíticos y numéricos) como experimentales, con especial énfasis en haces de luz estructurados que poseen propiedades topológicas y dinámicas peculiares, como singularidades de fase y momento angular orbital. Asimismo, se utilizan los sistemas de micromanipulación óptica como modelos para realizar estudios de la dinámica no lineal de sistemas coloidales (sistemas complejos). El objetivo principal es estudiar la interacción de campos ópticos y acústicos con sistemas materiales y desarrollar dispositivos con aplicaciones potenciales (¡y reales!) multidisciplinarias en diferentes áreas.
Las líneas de investigación principales se pueden resumir en:

• Desarrollo de nuevas técnicas de micromanipulación óptica de partículas y aplicaciones multidisciplinarias.
• Generación experimental y estudio de haces de luz estructurados.
• Óptica singular: Estudio de vórtices ópticos y acústicos y su interacción con la materia.
• Estudio de propiedades ópticas no-lineales de suspensiones de nanopartículas.
• Implementación de técnicas ópticas de imagen aplicadas a ciencias biológicas.

Hay temas de tesis disponibles en todas estas líneas de investigación.

El trabajo en un laboratorio siempre se realiza en equipo, y una parte fundamental del equipo son los estudiantes. En el Laboratorio de de Micromanipulación Óptica hemos contado y seguimos contando con excelentes estudiantes, algunos de los cuales son ya investigadores independientes con los que continuamos colaborando, mientras otros continuan sus estudios en México o en el extranjero.

Estudiantes

Graduados

Servicio social:

• Viridiana Carmona Sosa, Facultad de Ciencias UNAM.
• Rodrigo Gutiérrez Cuevas, Facultad de Ciencias UNAM.
• Adriana Toledo Cortés, Facultad de Ciencias UNAM.
• Carmen Noemí Hernández Cándia, Facultad de Ciencias UNAM.

Colaboradores UNAM

Colaboradores Externos

• Prof. Kishan Dholakia
  Líder del Grupo de Manipulación Óptica, de la Universidad de St. Andrews en Escocia, Reino Unido.


• Dr. Rubén Ramos García
  Investigador Titular en el Departamento de Óptica del INAOE (Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica), en Puebla México.


• Dr. Arturo O. Santillán
  Institute of Sensors, Signals and Electrotechnics, University of Southern Denmark, en Dinamarca.

1. Roland A. Terborg, Juan P. Torres and Karen Volke-Sepúlveda, Steering and guiding light with light in a nanosuspension, Opt. Lett. 38: 5284-5287 (2013). (Descargar archivo)
2. Alejandro V. Arzola, Karen Volke-Sepúlveda, José L. Mateos, Dynamical analysis of an optical rocking ratchet: Theory and experiment, Phys. Rev. E 87: 062910 (2013). (Descargar archivo)
3. U. Ruiz, P. Pagliusi, C. Provenzano, K. Volke-Sepúlveda and Gabriella Cipparrone, Polarization holograms allow highly efficient generation of complex light beams, Opt. Express 21 (6):7505-7510 (2013).
4. Roland A. Terborg and Karen Volke-Sepúlveda, Quantitative characterization of the energy circulation in helical beams by means of near-field diffraction, Opt. Express 21: 3379-3387 (2013).
5. Raúl Josué Hernández, Alfredo Mazzulla, Alfredo Pane, Karen Volke-Sepúlveda and Gabriella Cipparrone, Attractive-repulsive dynamics on light-responsive chiral microparticles induced by polarized tweezers, Lab on a Chip 13: 459-467 (2013). (Descargar archivo)
6. Carmelo Rosales-Guzmán, Karen Volke-Sepúlveda and Juan P. Torres, Light with enhanced optical chirality, Opt. Lett. 37: 3486-3488 (2012). (Descargar archivo)
7. A. V. Arzola, K. Volke-Sepúlveda and J. L. Mateos, Experimental Control of Transport and Current Reversals in a Deterministic Optical Rocking Ratchet , Phys. Rev. Lett. 106 : 168104 (2011). (Descargar archivo)
8. R. J. Hernández-Hernández, R. A. Terborg, I. Ricárdez-Vargas and K. Volke-Sepúlveda, Experimental generation of Mathieu-Gauss beams with a phase spatial light modulator , Appl. Opt. 49: 6903-6909 (2010). (Descargar archivo)
9. I. Ricárdez-Vargas and K. Volke-Sepúlveda, Experimental generation and dynamical reconfiguration of different circular optical lattices for applications in atom trapping, J.O.S.A. B 27: 948-955 (2010). (Descargar archivo)
10. K. Volke-Sepúlveda, R. Jauregui, All-optical 3D atomic loops generated with Bessel light fields, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 42: 085303 (2009). (Descargar archivo)
11. A. O. Santillán, K. Volke-Sepúlveda and A. Flores-Pérez, Wave fields with an orbital angular momentum gradient along a single axis: A Chain of vortices, New Journal of Physics 11: 043004 (2009).
12. A. V. Arzola, K. Volke-Sepúlveda and J. L. Mateos, Force mapping of an extended light pattern in an inclined plane: Deterministic regime, Opt. Express 17: 3429-3440 (2009).
13. A. O. Santillán and K. Volke-Sepúlveda, A demonstration of rotating and standing sound waves and the transfer of angular momentum to matter, Am. J. Phys. 77: 209-215 (2009). (Descargar archivo)
14. K. Volke-Sepúlveda, A. O. Santillán and R. R. Boullosa, Transfer of angular momentum to matter from acoustical vortices in free field, Phys. Rev. Lett. 100 : 024302 (2008). (Descargar archivo)
15. G. Milne, K. Dholakia, D. McGloin, K. Volke-Sepúlveda, P. Zemanek, Transverse particle dynamics in a Bessel beam, Opt. Express 15: 13972-13987 (2007).
16. K. Volke-Sepúlveda, E. Ley-Koo, General construction and connections of vector propagation invariant optical fields: TE and TM modes and polarization states, J. Opt. A: Pure and Applied Optics 8: 867-877 (2006). (Descargar archivo)
17. P. Fischer, A. E. Carruthers, K. Volke-Sepúlveda, E. M. Wright, C.T.A Brown, W. Sibbett and K. Dholakia, Enhanced optical guiding using a supercontinuum light source, Opt. Express 14: 5792-5802 (2006).
18. A. Flores-Pérez, J. Hernández-Hernández, R. Jáuregui, K. Volke-Sepúlveda, Experimental generation and analysis of higher-order TE and TM Bessel modes in free-space, Opt. Lett. 31: 1732-1734 (2006). (Descargar archivo)
19. I. Ricárdez-Vargas, P. Rodríguez-Montero, R. Ramos-García, K. Volke-Sepúlveda, A modulated optical sieve for sorting of polydisperse microparticles, Appl. Phys. Lett. 88: 121116 (2006). (Descargar archivo)
20. I. Ricárdez-Vargas, M. D. Iturbe-Castillo, R. Ramos-García, K. Volke-Sepúlveda, V. Ruiz-Cortés, Hollow spheres as individual movable micromirrors in optical tweezers, Opt. Express 13: 968-976 (2005).
21. K. Volke-Sepúlveda, S. Chávez-Cerda, V. Garcés-Chávez and K. Dholakia. Three dimensional optical forces and transfer of orbital angular momentum from multi-ringed light beams to spherical microparticles, J. Opt. Soc. Am. B 21: 1749-1757 (2004). (Descargar archivo)
22. V. Garcés-Chávez, K. Volke-Sepúlveda, S. Chávez-Cerda, W. Sibbett, K. Dholakia, Transfer of angular momentum to an optically trapped low-index particle, Phys. Rev. A 66: 063402 (2002). (Descargar archivo)
23. J. Arlt, M. MacDonald, L. Paterson, W. Sibbett, K. Dholakia, K. Volke-Sepúlveda, Moving interference patterns created using the angular Doppler effect, Opt. Express 10: 844-852 (2002).
24. M. P. MacDonald, L. Paterson, K. Volke-Sepúlveda, J. Arlt, W. Sibbett, K. Dholakia, Creation and manipulation of three dimensional optically trapped structures, Science 296 (5570): 1101-1103 (2002). (Descargar archivo)
25. K. Volke-Sepúlveda, V. Garcés-Chávez, S. Chávez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia, Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam, J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 4: S82-S89 (2002). (Descargar archivo)
26. M.P. MacDonald, K. Volke-Sepúlveda, L. Paterson, J. Arlt, W. Sibbett and K. Dholakia, Revolving interference patterns for the rotation of optically trapped particles, Opt. Commun. 201: 21-28 (2002). (Descargar archivo)
27. E. Ley-Koo, K. VolkeSepúlveda, The Helium Atom in a Semi-Infinite Space Limited by a Paraboloidal Boundary, International Journal of Quantum Chemistry 65: 269-275 (1997).

Cursos impartidos

• Óptica, Facultad de Ciencias UNAM.
• Temas Selectos de Óptica III: Óptica Moderna y Fotónica, Facultad de ciencias UNAM.
• Laboratorio Avanzado, Posgrado en Ciencias Físicas UNAM:
  1. Montaje y caracterización de un sistema de Pinzas Ópticas.
  2. Generación y análisis de haces de luz estructurados.
  3. Autoenfocamiento en medios Kerr artificiales.

Para una introducción a los temas de pinzas ópticas y microscopía de superresolución, se puede consultar el texto"La luz sobre el micromundo: Un laboratorio en un chip", que constituye un capítulo del libro Fronteras de la Física del siglo XXI , un proyecto de divulgación de acceso libre en línea, coeditado por Octavio Miramontes y Karen Volke.

Adicionalmente, a continuación encontrarás una introducción básica a algunos de los temas que desarrollamos. Si quieres aprender más de estos temas o de las demáslíneas de investigación que desarrollamos en el grupo... ¡ponte en contacto!

Micromanipulación Óptica

Partículas de 5 micras acomodadas usando una pinza óptica para formar las siglas IF.

Gracias a sus propiedades dinámicas como transporte de energía y momento lineal, que se ponen de manifiesto al interaccionar con la materia, la luz puede ser utilizada como una delicada herramienta para mover y controlar pequeños objetos, como partículas cuyos diámetros van desde decenas de nanómetros hasta decenas de micras, e incluso átomos, iones o moléculas.

La trampa de luz mas simple se conoce con el nombre de pinzas ópticas, y consiste de un solo haz láser fuertemente enfocado que permite atrapar partículas individuales en la región focal. Las partículas dieléctricas cuyo índice de refracción es mayor que el del medio que las rodea son atraídas hacia las regiones de máxima intensidad de luz. Aquellas cuyo índice es menor que el del medio (por ejemplo, burbujas de aire en agua) son repelidas de los máximos de intensidad o, en otras palabras, se pueden atrapar en los mínimos de intensidad.

Sin embargo, ante una distribución periódica (o cuasi-periódica en una región de interés) de intensidad, el comportamiento de las partículas puede variar, ya que depende de la relación de tamaño entre la partícula y el periodo de la distribución de luz.
En esta área hemos realizado contribuciones, por ejemplo, en el desarrollo de un sistema de separación de partículas microscópicas, al que le llamamos eltamiz óptico.

Mas recientemente, utilizamos un sistema de micromanipulación óptica para estudiar el transporte de partículas mediante un mecanismo que permite inducir un movimiento consistente de las partículas en una dirección determinada, aún cuando la suma de las fuerzas involucradas en el sistema da una resultante nula. La interrelación entre la fuerza óptica ejercida por un patrón de luz periódico y asimétrico, y una fuerza externa oscilatoria de promedio cero, conduce a un comportamiento dinámico sorprendente, aún en el caso más simple en que el ruido térmico es despreciable. Este tipo de sistemas constituye un modelo dinámico conocido como rueda dentada o matracas (en inglés ratchets). Con un ratchet óptico pudimos probar por primera vez un fenómeno conocido como inversión de corriente, que se había predicho hace ya más de una década de manera teórica, y pudimos observar también corrientes opuestas para partículas de distinto tamaño dentro de un mismo potencial óptico (patrón de luz).

Esquema del mecanismo ratchet. Las partículas circulan en diferente dirección de acuerdo a su tamaño.

Partículas de 5 micras orbitando en un haz Bessel de orden 2 por transferencia de momento angular orbital.

Otra de las líneas que investigamos desde hace ya más de una década, es la de estudiar las propiedades dinámicas de algunos tipos de haces de luz estructurados, como vórtices ópticos, utilizando técnicas de micromanipulación óptica. En este contexto, se mostró por ejemplo, que el momento angular orbital de haces Bessel de orden superior puede ser transferido a la materia, provocando su rotación orbital alrededor del eje del haz. Esto es en contraste con la rotación que puede ser provocada por la interacción de objetos birrefringentes con luz circularmente polarizada, la cual ocurre con respecto a un eje propio de la partícula y se conoce como transferencia de momento angular de espín. Cuando el eje de la partícula coincide con el eje del haz, y ésta es absorbente, los efectos mecánicos del momento angular orbital y de espín son aditivos.
Hay haces de luz con estructura de muy diversos tipos, y casi cualquiera de ellos se puede generar experimentalmente, lo cual permite hacer trampas de luz muy versátiles, prácticamente a medida de las necesidades de cada usuario.

Haces de luz estructurados

Un haz de luz se caracteriza por su intensidad (que es el módulo cuadrado de su amplitud), su fase y su estado de polarización. En cualquiera de estos grados de libertad, en dos de ellos o en los tres, puede existir estructura, es decir, una variación espacial de punto a punto, que sigue un cierto patrón. De hecho, la intensidad y la fase están en general relacionadas. Los cambios abruptos de la fase o aquellos puntos donde ésta queda indefinida dan lugar a dislocaciones de los frentes de onda o singularidades de fase. Esos puntos o regiones del espacio son completamente oscuros, es decir, corresponden a nodos de intensidad. El ejemplo mas simple es un patrón de franjas de interferencia con visibilidad perfecta (dos ondas coherentes de la misma intensidad interfiriendo entre sí, máximo contraste); entre dos franjas consecutivas hay una diferencia de fase de π radianes y, por lo tanto, entre ellas hay un nodo, o región de intensidad nula. Otro ejemplo, más interesante, es el de los vórtices ópticos. Estos son singularidades de tipo tornillo, cuyos frentes de onda tienen una forma parecida a la del fusili, es decir, son helicoidales y rotan en el tiempo a una velocidad proporcional a la frecuencia angular de la luz. Por este motivo, los vortices ópticos son portadores de momento angular orbital, con respecto a su eje de simetría, que corresponde a un punto oscuro rodeado de un anillo de luz en la sección transversal del haz, puesto que la fase no está definida en ese punto. Los haces Bessel y los Laguerre-Gauss, de simetría circular, son ejemplos de vórtices ópticos. Los vórtices se caracterizan por un parámetro conocido como carga topológica, que denota el número de ciclos en que la fase varía de cero a 2π alrededor del vórtice. En vórtices tipo Bessel o Laguerre-Gauss, la carga topológica también se conoce como el órden del haz. Por cierto, los vórtices en un campo ondulatorio no son privativos del campo óptico, también hay vórtices, por ejemplo, en ondas de materia (como haces electrónicos o condensados de Bose-Einstein), vórtices en ondas de superficie en agua y vórtices acústicos. De hecho, en el grupo demostramos la transferencia de momento angular acústico mediante vórtices de sonido.
Las figuras que se muestran a continuación ilustran algunos ejemplos de haces estructurados generados experimentalmente en el grupo.

Haz Bessel de orden 1 (vórtice óptico).

Haz Mathieu de orden 6, impar (tipo seno elíptico).

Haz con simetría de tipo parabólico.

Interferencia entre un haz Laguerre-Gauss de orden 2 y un haz Gaussiano.

Cabe mencionar que lo único que nuestro ojo es capaz de detectar son distribuciones de intensidad; para inferir estructura de fase o de polarización, es necesario recurrir a métodos de detección indirectos. En el caso de la fase, estos métodos pueden basarse en técnicas de interferencia y/o difracción.

• Miembro del Sistema Nacional de Investigadores SNI Nivel II
• Reconocimiento Distinción Universidad Nacional para Jóvenes Académicos (RDUNJA) 2010 en el área de Investigación en Ciencias Exactas.
• European Optics Prize 2003, otorgado por la Sociedad Europea de Óptica al trabajo:
  K. Volke-Sepúlveda, et al., Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam, J. Opt. B 4: S82 (2002).
• Premio Weizmann 2003 a la mejor tesis doctoral en Ciencias Exactas otorgado por el Instituto Weizmann y la Academia Mexicana de Ciencias.

• Instituto de Física, UNAM
• Departamento de Física Teórica, IFUNAM