Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích cảu đề tài là đưa ra được các luận cứ có tính khoa học, xây dựng các điều kiện để có thể ổn định được các vi hạt có kích thước cỡ nano bằng bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều; nghiên cứu được các mối quan hệ tương quan giữa các tham số quang, tham số cơ, tham số nhiệt tham gia trong quá trình ổn định hạt điện môi trong kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Hồ Quang Quý HÀ NỘI 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Đình Hải
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Hồ Quang Quý, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo, những người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp trong Viện Vật lý kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Viện Khoa học và công nghệ Quân sự - Bộ Quốc Phòng, Trường Đại Học Vinh, Trường CĐSP Nghệ An đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án
MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu ……………………………………………..…. i Danh mục các hình vẽ ………………………….…………….............. iii Mở đầu …………………………..…………………..………………… 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU............................................. 9 1.1 Quang lực.......................................................................................... 9 1.2 Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều............. 14 1.2.1 Cấu hình quang của hai chùm xung Gauss ngược chiều..... 15 1.2.2 Biểu thức cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược chiều..................................................................................... 16 1.2.3 Ảnh hưởng của khoảng cách d đến phân bố cường độ tổng 19 1.2.4 Ảnh hưởng của mặt thắt chùm tia W0 đến phân bố cường độ tổng.................................................................................. 21 1.2.5 Biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi................... 23 1.2.6 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W0 lên phân bố quang lực dọc.................................................................................. 24 1.2.7 Ảnh hưởng của độ rộng xung τ lên phân bố quang lực dọc 26 1.2.8 Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d đến quang lực dọc....................................................................................... 27 1.2.9 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W0 lên quang lực ngang 29 1.2.10 Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d lên quang lực 32 ngang....................................................................................
1.2.11 Ảnh hưởng của độ rộng xung lên quang lực ngang............. 33 1.3 Chuyển động Brown của vi hạt điện môi trong chất lưu................. 35 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của bẫy quang học.................... 37 1.4.1 Sự cần thiết của sự ổn định................................................... 38 1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của hạt trong quá trình bẫy......................................................................................... 38 1.5 Kết luận chương 1............................................................................. 39 Chương 2. QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT.......................... 41 2.1 Phương trình Lagevin cho trường hợp tổng quát.............................. 41 2.2 Phương trình động học của vi hạt trong bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều......................................................... 44 2.3 Thuật toán và quy trình mô phỏng.................................................... 47 2.4 Chuyển Brown trong mặt phẳng tiêu bản ........................................ 48 2.5 Quá trình động học của vi hạt khi có quang lực............................... 52 2.6 Kết luận chương 2............................................................................. 56 Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN QUÁ 58 TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT 3.1. Ảnh hưởng của vị trí ban đầu của vi hạt ......................................... 59 3.2 Ảnh hưởng của năng lượng tổng..................................................... 63 3.3 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia...................................... 65 3.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt.......................................................... 67
3.5 Kết luận chương 3............................................................................ 70 Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN VÙNG ỔN 72 ĐNNH CỦA KÌM..................................................................................... 4.1 Khái niệm về vùng ổn định không gian - thời gian......................... 73 4.2 Ảnh hưởng của năng lượng xung laser lên vùng ổn định................. 74 4.3 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm lên vùng ổn định...................... 76 4.4 Ảnh hưởng của độ rộng xung lên vùng ổn định............................... 77 4.5 Ảnh hưởng của tần số lặp xung laser lên sự ổn định........................ 79 4.6 Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định.................................. 81 4.7 Ảnh hưởng của bán kính vi hạt lên vùng ổn định............................. 87 4.8 Ảnh hưởng của độ nhớt chất lưu lên vùng ổn định........................... 89 4.9 Kết luận chương 4 91 KẾT LUẬN CHUNG.............................................................................. 93 Tài liệu tham khảo.................................................................................. 98 Phụ lục....................................................................................................... 105
i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa a Bán kính hạt điện môi hình cầu α Hệ số ma sát nhớt β Hệ số hấp thụ một lần B Hệ số Anhxtanh c Vận tốc ánh sáng trong chân không Cpr Tiết diện tán xạ D Hệ số khuếch tán d Khoảng cách giữa hai đỉnh xung E0 Năng lượng tổng của chùm tia El Cường độ điện trường của chùm bên trái Er Cường độ điện trường của chùm bên phải E Véc tơ cường độ điện trường ε0 Hằng số điện môi Fgrad Lực gradient Fp Lực Lorentz Fscat Lực tán xạ Ft Thành phần lực do biến đổi của từ trường f Lực tổng hợp tác động vào hạt f vis Lực tác động phụ thuộc vận tốc f total Lực tác động không phụ thuộc vận tốc f Brown Lực Brown
ii f gravity Trọng lực f Hydrate Lực đàn hồi của môi trường η Độ nhớt của môi trường H Từ trường tương ứng trong gần đúng cận trục h (t ) Hàm ngẫu nhiên (randum) Il Cường độ chùm tia bên trái Ir Cường độ chùm tia bên phải I Cường độ tổng của hai chùm tia k Số sóng k Véc tơ sóng m = n1 Tỉ số chiết suất hạt bẫy với môi trường chất lưu n2 m khối lượng hạt bẫy µ0 Độ từ thNm trong chân không n1 Chiết suất của hạt điện môi hình cầu n2 Chiết suất của môi trường chứa hạt điện môi Pp Công suất bơm P Véc tơ momen lưỡng cực ρ Toạ độ hướng tâm σ Hệ số phân cực của hạt hình cầu trong chế độ Rayleigh τ Bán độ rộng xung U Năng lượng chùm Gauss của laser ∇ Toán tử laplace W Bán kính tiết diện thắt chùm ω0 Tần số sóng W0 Bán kính tiết diện thắt chùm tại mặt phẳng z =0
iii λ Bước sóng của chùm laser ρ0 toạ độ ban đầu của hạt bẫy ρ Véc tơ đơn vị theo hướng xuyên tâm x Véc tơ đơn vị của phân cực dọc theo hướng trục x z Véc tơ đơn vị dọc theo hướng truyền của chùm tia z h.ν Năng lượng trung bình của một photon bơm ∆t Khoảng thời gian ổn định của hạt trong bẫy ∆ρ Đường kính vùng ổn định δT Độ trễ thời gian giữa hai xung
iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1.1. Tia sáng khúc xạ tại giao diện của hạt điện môi 10 Hình 1.2. Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt hạt điện môi. 11 Hình 1.3. Lực tác dụng lên hạt điện môi trong chế độ Rayleigh. 11 Hình 1.4. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm.................................................................... 14 Hình 1.5. Sơ đồ bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều ................................................................................................. 15 Hình 1.6. KhNu độ số của hệ vật kính............................................... 19 Hình 1.7. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của khoảng cách giữa hai mặt thắt d: 15µm (a), 10µm (b), 5µm (c) và 0µm (d)........................................................................................... 20 Hình 1.8. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt W0: 2µm(a), 1.5µm(b), 1µm(c) và 0.5µm(d)................ 21 Hình 1.9. Phân bố quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với các giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt W0:0.5µm(a), 1µm(b), 1.5µm(c) và 2µm(d)......................................................................... 25 Hình 1.10. Phân bố của quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với các giá trị khác nhau của độ rộng xung τ: 0.5ps (a), 1ps (b), 1.5ps (c) và 2ps (d)........................................................................................... 27 Hình 1.11. Ảnh hưởng của khoảng cách d lên quá trình phân bố của quang lực dọc: d = 5µm(a), d = 10µm(b), d = 15µm(c) và d = 20µm(d)....................................................................................... 29 Hình 1.12. Phân bố quang lực ngang trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho các giá trị của W0: 0.5µm(a), 1µm(b), 1.5µm(c) và 2µm(d)............... 30
v Hình 1.13. Hố thế tạo bởi lực ngang.............................................. 31 Hình 1.14. Phụ thuộc của giá trị cực đại quang lực ngang vào bán kính mặt thắt trong trường hợp t = 1τ, d = 10µm tại vị trí z=0....... 31 Hình 1.15. Phân bố quang lực ngang Fgrad,ρ trong mặt phẳng (ρ,t) với các giá trị khác nhau của d: 1µm(a), 5µm(b), 10µm(c) và 15µm(d).................................................................................. .......... 33 Hình 1.16. Quang lực ngang, Fgrad,ρ trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho các xung có độ rộng khác nhau của τ: 0,5ps(a), 1ps(b) và 1,5ps(c) 34 Hình 1.17. Mô hình chuyển động Brown............................................ 35 Hình 2.1. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách trục chùm tia một khoảng ρ0= 1(µm) với bước thời gian mô phỏng khác nhau: a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000 ...... 50 Hình 2.2. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách trục chùm tia một khoảng ρ0= 0(µm) với bước thời gian mô phỏng khác nhau: a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000 ...... 51 Hình 2.3. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0.5.10-6(J) τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), ρ0= 0(m), W0=1(µm), t=(0÷ 6)τ......................................................................... 53 Hình 2.4. Vị trí của hạt thể hiện trên mặt tiêu bản............................ 54 Hình 2.5. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0.5.10-6(J) τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), ρ0= 0(m), W0=1(µm), t=(1.6÷ 4.4) ps................................................................. 55 Hình 3.1. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0.5.10-6 (J),τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), W0=1(µm), thời gian xung t=(0÷ 6) ps. ρ0= 2(µm)(a); ρ0= -2(µm)(b); ρ0= 1(µm)(c); ρ0=-1(µm)(d).............................................................. 59
vi Hình 3.2. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0.1.10-6 (J),τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), W0=1(µm), thời gian xung t=(0÷ 6) ps. ρ0= 1(µm)(a); ρ0= 2(µm)(b); ρ0= 3(µm)(c); ρ0= 4(µm)(d).............................................................. 61 Hình 3.3. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=5.10-9 (J) τ=1(ps), a=20(nm), λ=1,064 (µm), W0=1(µm), thời gian xung t=(0÷ 6) ps; ρ0= 1(µm)(a); ρ0= 2(µm)(b); ρ0=3(µm)(c); ρ0= 4(µm)(d)...................................................................................... 62 Hình 3.4. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), W0=1(µm), t=(0÷ 6) ps, ρ0=2(µm). U: 0,01(µJ)(a); 0,1(µJ)(b); 0,2(µJ)(c); 0,3(µJ)(d); 0,5(µJ)(e); 0,9(µJ)(f).......................................................................... 64 Hình 3.5. Quá trình động học của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0,9(µJ), τ=1(ps), ρ0=1(µm), λ=1,064(µm), a=10(nm), t=(0÷6)ps, W0=1(µm)(a); W0=2(µm)(b); W0=3(µm)(c); W0=4(µm)(d)...................................................................................... 66 Hình 3.6. Quá trình động học của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0,9 (µJ), τ=1(ps), ρ0= 1(µm), λ=1,064 (µm), W0 =1(µm), t=(0÷6)ps: a= 8(nm)(a); a= 10(nm)(b); a=14(nm)(c); a= 18(nm)(d)...................................................................................... 68 Hình 4.1. Vùng ổn định của kìm....................................................... 72 H×nh 4.2. M« t¶ giíi h¹n vïng æn ®Þnh cña vi h¹t trªn mÆt ph¼ng x-y..................................................................................................... 73 Hình 4.3. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào năng lượng laser 75 Hình 4.4. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào năng lượng laser......................................................................................... 75 Hình 4.5. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào bán kính thắt chùm.................................................................................................. 76 Hình 4.6. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào bán kính thắt chùm........................................................................................... 77
vii Hình 4.7. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào độ rộng xung Gauss................................................................................................. 78 Hình 4.8. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào độ rộng xung Gauss......................................................................................... 78 Hình 4.9. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 6.τ ..... 80 Hình 4.10. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 4.τ ... 80 Hình 4.11. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 3.τ ... 80 Hình 4.12. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 2.τ ... 81 Hình 4.13. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 0. 82 Hình 4.14. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=1τ 83 Hình 4.15. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=2τ 84 Hình 4.16. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=3τ 85 Hình 4.17. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=4τ 86 Hình 4.18. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào bán kính vi hạt 87 Hình 4.19. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào bán kính vi hạt.......................................................................................... 88 Hình 4.20. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào độ nhớt chất lưu...................................................................................................... 90 Hình 4.21. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào độ nhớt chất lưu.............................................................................................. 90 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Độ nhớt của một số chất lưu............................................. 89
1 MỞ ĐẦU Trong thập kỷ sáu mươi, thế kỷ 20, Arthur Ashkin cùng các cộng sự đã phát hiện ra rằng, một chùm laser được hội tụ có thể kéo một hạt có chiết suất lớn hơn môi trường xung quanh vào tâm chùm tia [5-11]. Trên trục chùm tia, các hạt được giữ và đNy theo chiều truyền lan của ánh sáng. Ông đã xây dựng một thiết bị quang học để điều khiển hạt trong chất lỏng, chất khí bằng cách cân bằng áp lực bức xạ với lực trọng trường. Ông cũng đã đề xuất một thiết bị giữ hạt trong không gian ba chiều bằng hai chùm tia laser truyền lan ngược chiều [6]. Bẫy quang học sử dụng một chùm laser được thiết kế thành công lần đầu tiên vào năm 1986 do Ashkin, Chu và cộng sự [8]. Trong những năm tiếp theo sau đó, khi công nghệ phát triển, bẫy quang học trở thành thiết bị quan trọng trong các lĩnh vực như sinh vật, hoá lý và lý sinh phục vụ cho việc giam giữ (bẫy: giữ vi hạt tại một vị trí) hay điều khiển (kìm: giữ và dịch chuyển vị trí của vi hạt) các đối tượng nghiên cứu như nguyên tử (phản ứng hóa học), chuỗi ADN (tách các phân tử), tế bào sống (cô lập),...[11], [22], [23], [25], [43], [49], [53], [56], [57], [64-66]. Bẫy quang học sử dụng lực gradient (gradient force) của một chùm tia có thể được chế tạo bằng cách hội tụ chùm laser thành một vết trong giới hạn nhiễu xạ nhờ một hệ quang có khNu độ số (NA-Numerical aperture) lớn [3], [14], [19], [26]. Lực gradient của ánh sáng mạnh nhất là xung quanh điểm hội tụ và sẽ tạo nên một hố thế. Trong hố thế này các hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường xung quanh sẽ bị bẫy trong không gian ba chiều. Các vi hạt điện môi, các vi hạt kim loại [13] ,[18] cũng như chất sống có kích thước từ vài nanomét đến vài chục micrômét như thực bào hay bạch huyết cầu [25], [66] có thể bị bẫy và gom nhờ bẫy quang học. Tuy nhiên, khi không có sự khác biệt về chiết suất giữa hạt và môi trường xung quanh sẽ không có lực quang học nào tác động lên hạt. Nếu chiết suất của hạt thấp hơn chiết suất môi
2 trường, hạt sẽ bị đNy ra khỏi chùm tia có phân bố cường độ dạng Gauss. Trong trường hợp này, hạt sẽ bị bẫy nếu sử dụng chùm tia có phân bố cường độ dạng Hollow-Gaussian, theo đó, cường độ tại tâm nhỏ nhất và tăng dần theo bán kính hướng tâm (tăng dần từ tâm ra biên) [18], [20], [41], [42], [45], [57], [71], [72]. Khái niệm bẫy quang học cũng đã được biết đến từ rất lâu. Vào năm 1619, Johannes Kepler đã giải thích rằng đuôi sao chổi luôn luôn đNy ra xa mặt trời chính là do áp lực của ánh sáng mặt trời. Vào năm 1871, bằng lý thuyết, Maxwell đã chỉ ra rằng xung lượng của ánh sáng có thể tạo ra một áp lực trên mặt tiếp xúc [4]. Sau này, hiệu ứng này được gọi là “áp lực bức xạ”. Năm 1901, nhóm của Lebedev và nhóm của Nichols đã độc lập thực hiện thí nghiệm về áp lực ánh sáng (light pressure) tác động lên vật thể. Áp lực ánh sáng này rất nhỏ vì cường độ dòng photon rất thấp. Năm 1960, khi laser ra đời, cường độ dòng photon được tăng lên rất nhiều và áp suất ánh sáng tăng lên, có thể ứng dụng vào các mục đích khác nhau. Vào năm 1971, Ashkin đã tìm cách cân bằng được áp suất ánh sáng với lực trọng trường và đã giữ được hạt điện môi có kích thước 20µm ổn định [6]. Ashkin cùng cộng sự tiếp tục theo đuổi lĩnh vực bẫy quang học áp dụng cho các vi hạt có kích thước khác nhau. Các công trình của Ông chủ yếu quan tâm đến bẫy các nguyên tử, vi hạt keo và được phân thành hai loại: làm lạnh nguyên tử bằng laser và bẫy quang học. Năm 1986, Ashkin cùng cộng sự lần đầu tiên công bố kết quả sử dụng bẫy quang học một chùm tia để giữ các vi hạt có đường kính từ 25 nm đến 10µm tại một điểm trong nước [8]. Thiết bị mà Ashkin sử dụng để bẫy các vi hạt, sau này, được gọi là kìm quang học [3], [14], [20], [26], [37], [45], [46] và phương pháp này được gọi là bẫy quang học [47], [56]. Ông cho rằng một hạt được bẫy tại một điểm mà tại đó lực gradient và lực tán xạ cân bằng nhau,
3 khi giá trị cực đại của lực bẫy đủ lớn để vượt qua trọng lượng hiệu dụng và thăng dáng nhiệt của hạt. Lý thuyết về bẫy quang học chủ yếu là tính toán lực tác động lên hạt với các điều kiện môi trường khác nhau. Cách tính quang lực tác động lên vi hạt liên quan trực tiếp đến các chế độ, trong đó, kích thước vi hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ Rayleigh [50], [54], [62], [69], kích thước vi hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ quang hình [7], [20], [48] hay kích thước vi hạt tương đương bước sóng laser thì sử dụng chế độ Mie. Nhiều công trình đã quan tâm đến ảnh hưởng của các tham số kìm quang học lên quang lực [14], [18], [25], [26], [28-30]. Trong công trình của mình, tác giả H. Kim [39] đã tìm được sự phụ thuộc của hiệu suất bẫy vào tỉ số giữa bán kính chùm tia và khNu độ số của hệ quang. Qua biểu thức tính hiệu suất, các tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của độ nhớt chất lưu, kích thước vi hạt, công suất laser lên hiệu suất. Ngoài ba chế độ Rayleigh, quang hình và Mie, O. Moine và B. Stout [60] đã sử dụng phương pháp véc tơ để tính quang lực khi sử dụng chùm tia có phân bố cường độ bất kỳ trên tiết diện ngang. Các công trình trên chỉ áp dụng hạn chế cho trường hợp đặc biệt (các hạt là vi cầu). Kết hợp ba chế độ Rayleigh, Mie và quang hình, D. Bonessi và cộng sự đã tính quang lực tác động lên hạt có hình dạng và kích thước bất kỳ. Năm 2008, Cui và năm 2009, Jian cùng các cộng sự đã tính quang lực tác động lên các vật thể có kích thước cỡ nanô [73], [74]. Tất cả các phương pháp tính trên được tổng quan trong công trình của M. S. Rocha [54]. Các công trình lý thuyết tính quang lực trên đều dừng lại ở trường hợp sóng phẳng, tức là áp dụng cho chùm laser phát ra từ buồng cộng hưởng gương phẳng trong chế độ phát liên tục. Trong thực tế hiện nay, chùm tia laser Gauss, phát ra từ buồng cộng hưởng gương cầu là chủ yếu và được điều
4 biến xung. Do đó, từ năm 2005 đến nay, nhiều tác giả đã tính toán cho mẫu kìm sử dụng xung laser [3], [17], [31], [33], [35], [38], [44]. Zhao và cộng sự đã công bố kết quả tính quang lực cho kìm sử dụng một chùm xung Gauss (pulsed Gaussian beam) [17]. Bằng phương pháp mô phỏng, Zhao đã khảo sát phân bố quang lực (transverse gradient and longitudinal forces) trên các mặt phẳng pha (ρ,z), (ρ,t) và (z,t). Qua kết quả khảo sát của Zhao, có thể rút ra vài kết luận sau: +) Chuyển động Brown sẽ mất đi hay có thể bỏ qua khi vi hạt được bẫy bằng các xung ngắn. +) Hạt sẽ chuyển động Brown trong thể tích cỡ 10-12m3 giữa hai lần xung nếu tần số nhỏ hơn 100Hz. +) Không thể sử dụng một chùm xung Gauss để thiết kế kìm quang học, bởi vì lực tán xạ sẽ khác nhau tại từng thời điểm khác nhau và thay đổi theo độ rộng xung. Lực này không cân bằng trong điểm bẫy. +) Ngưỡng bẫy là giá trị quang lực cân bằng với lực do dao động nhiệt đã được bình luận trong trường hợp hạt tự do. Tuy nhiên, trong thực tế, vi hạt được nhúng trong môi trường không khí hoặc chất lỏng. Do đó, ngoài dao động nhiệt, vi hạt còn chịu tác động của lực Brown [24]. Phù hợp với kết luận thứ nhất, các tác giả M. Kawano và các cộng sự (2008) đã đề xuất sử dụng kìm quang học sử dụng hai chùm laser ngược chiều [53] và sau đó năm 2009 các tác giả H. Q. Quý và M. V. Lưu đã nghiên cứu đến quang lực của hai chùm xung Gauss ngược chiều [40]. Kết quả mô phỏng đã cho thấy lực gradient cũng như lực tán xạ (scattering forces) có tính đối ngẫu qua tâm bẫy. Lực tán xạ không còn phụ thuộc vào độ rộng xung. Hơn nữa, trong các công trình này, các tác giả đã bình luận về các vùng bẫy trong các mặt phẳng pha (ρ,z), (ρ,t) và (z,t) và sự phụ thuộc của chúng vào các tham số đầu vào của kìm. Tuy nhiên, việc phân tích một cách chính xác về sự
5 ổn định của vi hạt trong vùng bẫy và ảnh hưởng của các tham số vào độ ổn định của vi hạt vẫn đang còn bỏ ngỏ. Ngoài ra, trong công trình thực nghiệm ứng dụng kìm quang học để nghiên cứu các tế bào sống [25], [66], [68], vị trí của tế bào không hoàn toàn giữ nguyên trong quá trình bẫy mà dao động trong một giới hạn nhất định xung quanh tâm bẫy [53]. Điều này chứng tỏ, độ bền (stifness) hay độ đàn hồi của kìm quang học có một giá trị nhất định [24]. Độ bền này là tỉ số giữa lực tác động vào vi hạt và độ lớn li độ dao động của vi hạt so với tâm bẫy. Vì vậy, độ bền của bẫy phụ thuộc vào lực, kích thước hạt và điều kiện môi trường [15], [19], [26], [28], [38], [54]. Như vậy, có thể khẳng định rằng vi hạt được bẫy trong kìm quang học không ổn định lý tưởng mà dao động trong một vùng không gian nhất định và trong một khoảng thời gian nhất định. Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm đã nêu ở trên, vấn đề nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các tham số của kìm quang học lên độ ổn định của hạt là rất cần thiết. Trước tiên, bằng phương pháp mô phỏng có thể đưa ra được một số kết luận có tính khoa học để định hướng cho thực nghiệm nghiên cứu, sử dụng kìm quang học cho các đối tượng vi hạt cần bẫy. Đây cũng là những nội dung được đề cập trong luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều”. Mục mục đích của luận án: Đưa ra được các luận cứ có tính khoa học, xây dựng các điều kiện để có thể ổn định được các vi hạt có kích thước cỡ nano bằng bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.
6 Nghiên cứu được các mối quan hệ tương quan giữa các tham số quang, tham số cơ, tham số nhiệt tham gia trong quá trình ổn định hạt điện môi trong kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Đối tượng nghiên cứu: Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Đối tượng bẫy là vi hạt điện môi kích thước nanô nhúng trong chất lưu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Về khoa học: Khảo sát quá trình động học của vi hạt điện môi trong kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều khi tính đến đồng thời tác động của quang lực và lực Brown khi hạt được nhúng trong chất lưu. Chứng minh ảnh hưởng của các tham số quang, cơ lên quá trình động học của hạt và vùng ổn định của kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Về thực tiễn: Phân tích các điều kiện ổn định của vi hạt thông qua các tham số của chùm laser, vi hạt điện môi và một vài chất lưu cụ thể. Chọn các bộ tham số phù hợp với các vi hạt và chất lưu khi thiết kế kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Từ đó, định hướng cho việc điều khiển đối tượng nghiên cứu như nguyên tử, tế bào sống, ... sau này. Phương pháp nghiên cứu: Từ lý thuyết tương tác giữa trường ánh sáng với vật chất, dẫn ra các phương trình liên hệ giữa cường độ ánh sáng, quang lực, phương trình động học của hạt vào các tham số cơ và tham số quang của bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Từ đó, mô phỏng bằng phần mềm Matlab các trường hợp cụ thể và phân tích các kết quả đạt được.