El modelado termo-óptico de medios ópticamente no homogéneos con nanopartículas metálicas resonantes es fundamental para el diseño de terapias fototérmicas basadas en efectos plasmónicos. En esta tesis se presenta un estudio teórico y experimental de la interacción de luz con este tipo de medios, enfocado al modelado de los efectos térmicos inducidos por luz y buscando establecer condiciones necesarias y seguras para sus aplicaciones biomédicas. Las partículas metálicas utilizadas consisten de nanobarras de oro con una distribución de razones de aspecto centradas en el rango de R_asp = 2.2 - 5.5, lo que coloca los espectros de absorción de las muestras coloidales estudiadas en la primera ventana biológica (de 700 a 950 nm). Con base en la aproximación cuasiestática para elipsoides y un factor de corrección para ajustar a la morfología real de los cilindros, se desarrollaron métodos para determinar la fracción de llenado (f_v) de las nanobarras y la distribución estadística de sus relaciones de aspecto (R_asp) a partir de los espectros de absorción de las muestras. Se modelaron los efectos térmicos colectivos aproximando la distribución de fuentes discretas de calor por una distribución continua. Como era de esperarse, tanto los experimentos como los resultados del modelado muestran una relación directa entre la absorbancia y el aumento de temperatura de las muestras. Sin embargo, las discrepancias en las distribuciones de temperatura estimadas y medidas, ponen en evidencia la importancia de la convección en el transporte de calor en las muestras experimentales, aspecto que los modelos puramente conductivos que empleamos no toman en cuenta. Esta conclusión está soportada por las observaciones realizadas en un arreglo óptico de Schlieren que muestran la rapidez de la homogeneización de la temperatura en la muestra por efectos de convección. Para evaluar los efectos del esparcimiento sobre los efectos térmicos, se realizaron experimentos con las mismas muestras coloidales, aumentando sus coeficientes de esparcimiento mediante la inclusión de nanopartículas dieléctricas en cantidades controladas. Para el modelado de estas situaciones, se llevaron a cabo simulaciones con el método Monte Carlo para estimar la distribución de la fluencia y la fracción de luz absorbida en cada región de las muestras, lo que permitió estimar la distribución de los cambios de temperatura. Los resultados de los experimentos y los modelos muestran que el esparcimiento múltiple aumenta la fluencia y promueve el calentamiento fototérmico. Los resultados obtenidos en este trabajo proporcionan un marco integral para describir la conversión de energía óptica en energía térmica en medios ópticamente no homogéneos, con implicaciones directas para el diseño de materiales equivalentes a tejidos biológicos y la optimización de terapias fototérmicas.

Thermo-optical modeling of optically non-homogeneous media with resonant metallic nanoparticles is fundamental for the design of photothermal therapies based on plasmonic effects. This thesis presents a theoretical and experimental study of the interaction of light with this type of media, focusing on modeling the thermal effects induced by light and seeking to establish the necessary and safe conditions for its biomedical applications. The metallic particles used consist of gold nanorods with an aspect ratio distribution centered in the range of R_asp = 2.2 - 5.5, placing the absorption spectra of the studied colloidal samples within the first biological window (700 to 950 nm). Based on the quasi-static approximation for ellipsoids and a geometric correction factor to adjust to the actual morphology of the cylinders, methods were developed to determine the filling fraction (f_v) of the nanorods and the statistical distribution of their aspect ratios (R_asp) from the absorption spectra of the samples. Collective thermal effects were modeled by approximating the distribution of discrete heat sources with a continuous distribution. As expected, both the experiments and the results obtained with the model show a direct relationship between absorbance and temperature increase in the samples. However, the discrepancies between the estimated and measured temperature distributions highlight the importance of convection in the heat transport in the experimental samples, an aspect that the purely conductive models employed do not take into account. This conclusion is supported by observations made in a Schlieren optical arrangement, which show the rapid temperature homogenization in the sample due to convection. To evaluate the effects of scattering on the thermal effects, experiments were conducted with the same colloidal samples, increasing their scattering coefficients by including dielectric nanoparticles in controlled amounts. Monte Carlo simulations were performed to model these situations and estimate the fluence distribution and the fraction of light absorbed in each region of the samples, leading to the estimation of the temperature change distribution. The results of the experiments and the models, show that multiple scattering increases the fluence and promotes photothermal heating. The results obtained in this work provide a comprehensive framework for describing the conversion of optical energy into thermal energy in optically non-homogeneous media, with direct implications on the design of materials equivalent to biological tissues and the optimization of photothermal therapies.