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 W 0 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 W 0 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 W 0 lên quang lực ngang 29 1.2.10 Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d lên quang lực ngang 32 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 TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT 58 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 ĐNNH CỦA KÌM 72 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 C pr Tiết diện tán xạ D Hệ số khuếch tán d Khoảng cách giữa hai đỉnh xung E 0 Năng lượng tổng của chùm tia l E  Cường độ điện trường của chùm bên trái r E  Cường độ điện trường của chùm bên phải E  Véc tơ cường độ điện trường ε 0 Hằng số điện môi F grad Lực gradient F p Lực Lorentz F scat Lực tán xạ F t Thành phần lực do biến đổi của từ trường f  Lực tổng hợp tác động vào hạt is v f  Lực tác động phụ thuộc vận tốc al tot f  Lực tác động không phụ thuộc vận tốc rown B f  Lực Brown ii ravity g f  Trọng lực drate Hy f  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) l I Cường độ chùm tia bên trái r I Cường độ chùm tia bên phải I Cường độ tổng của hai chùm tia k Số sóng k  Véc tơ sóng 1 2 n m n = Tỉ số chiết suất hạt bẫy với môi trường chất lưu m khối lượng hạt bẫy µ 0 Độ từ thNm trong chân không n 1 Chiết suất của hạt điện môi hình cầu n 2 Chiết suất của môi trường chứa hạt điện môi P p 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 ω 0 Tần số sóng W 0 Bán kính tiết diện thắt chùm tại mặt phẳng z =0 iii λ Bước sóng của chùm laser 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 T δ Độ trễ thời gian giữa hai xung 0 ρ [...]... hỡnh kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu nhm loi b quang lc tỏn x (vi gi thit cỏc tham s ca hai chựm nh nhau) 1.2.1 Cu hỡnh quang ca hai chựm xung Gauss ngc chiu S nguyờn lý quang ca kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss trong h to Decard [2] c trỡnh by trong hỡnh 1.5 Hỡnh 1.5 S by quang hc s dng hai chựm Gauss ngc chiu a S hai chựm Gauss ngc chiu; b Mt phng tõm by; c S quang Gi s... cng chựm laser 1.2 Kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu Trong cụng trỡnh ca mỡnh, Zhao ó xut s dng mt chựm laser cú cu trỳc Gauss phỏt ch xung (gi tt l chựm xung Gauss) thit k kỡm quang hc Tuy nhiờn, bng phõn tớch lý thuyt ụng ó cho thy s dng mt chựm xung Gauss khú n nh c vi ht trờn trc chựm tia vỡ quang lc tỏn x quỏ ln iu ny cng c cỏc tỏc gi Mai Vn Lu v H Quang Quý khng nh li bng... thụng s lờn kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu Mc mc ớch ca lun ỏn: a ra c cỏc lun c cú tớnh khoa hc, xõy dng cỏc iu kin cú th n nh c cỏc vi ht cú kớch thc c nano bng by quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu  Nghiờn cu c cỏc mi quan h tng quan gia cỏc tham s quang, tham s c, tham s nhit tham gia trong quỏ trỡnh n nh ht in mụi trong kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu... chiu i tng nghiờn cu: Kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu i tng by l vi ht in mụi kớch thc nanụ nhỳng trong cht lu í ngha khoa hc v thc tin ca lun ỏn: V khoa hc: Kho sỏt quỏ trỡnh ng hc ca vi ht in mụi trong kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu khi tớnh n ng thi tỏc ng ca quang lc v lc Brown khi ht c nhỳng trong cht lu Chng minh nh hng ca cỏc tham s quang, c lờn quỏ trỡnh ng... s khỏi nim v quang lc v cu hỡnh ca kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu v chuyờn ng Brown Thụng qua ú, phõn tớch mt s yu t nh hng n s n nh ca vi ht trong cht lu di tỏc ng ca kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu Chng 2 Quỏ trỡnh ng hc ca vi ht Chng ny thc hin qui trỡnh mụ phng quỏ trỡnh ng hc ca vi ht trong cht lu s dng phng trỡnh Langevin vi s tham gia lc Brown v quang lc Phõn... nh vo rng xung Gauss 78 Hỡnh 4.9 n nh ca vi ht ph thuc tn s lp xung f = 1 6. Hỡnh 4.10 n nh ca vi ht ph thuc tn s lp xung f = 1 4. 80 Hỡnh 4.11 n nh ca vi ht ph thuc tn s lp xung f = 1 3. Hỡnh 4.12 n nh ca vi ht ph thuc tn s lp xung f = 1 2. 80 Hỡnh 4.13 nh hng ca tr xung lờn vựng n nh khi T= 0 82 Hỡnh 4.14 nh hng ca tr xung lờn vựng n nh khi T=1 83 Hỡnh 4.15 nh hng ca tr xung lờn... quang hc nh ó trỡnh by trờn, mt chựm tia laser cú phõn b Gauss hoc ta Gauss sau khi c hi t mnh cú th c s dng by gi ht in mụi [17] Thit b nh hỡnh 1.4 c gi l kỡm quang hc  Hỡnh 1.4 S chi tit cu to by quang hc s dng mt chựm laser trong thc nghim [45], [49], [54] Kỡm quang hc cú th s dng mt hoc hai chựm tia laser khi mun loi b lc tỏn x Trong cỏc mc tip theo chỳng tụi trỡnh by v kỡm quang hc s dng hai. .. thnh hai chựm S dng kớnh phõn cc, hai chựm ny cú hng phõn cc vuụng gúc vi nhau vi mc ớch trỏnh hin tng giao thoa S dng cỏc gng lỏi tia, hai chựm laser ny chiu vo mu theo hai hng ngc chiu nhau v c hi t hng vo mt im gi l tõm kỡm Tõm kỡm c xem l gc to ca h quang ang xột Bng cỏch tinh chnh h quang, quang l ca hai chựm tia c thay i sao cho mt tht ca chỳng i xng qua tõm kỡm (vi gi thit tiờu im ca hai chựm... cỏc tham s ó cho trờn, phõn b cng tng ca hai chựm xung trong kỡm quang hc ph thuc vo mt s tham s c trỡnh by sau õy 1.2.3 nh hng ca khong cỏch d n phõn b cng tng Nh chỳng tụi ó phõn tớch trong cu hỡnh quang ca hai chựm xung Gauss ngc chiu, t cỏc cụng thc (1.18), (1,19) v (1.20) khong cỏch gia hai mt tht ca chựm tia l mt trong nhng tham s nh hng n cng tng ca hai chựm tia c bit tham s ny nh hng ln n... CHIU Trong chng ny, mt s khỏi nim c bn liờn quan n quang lc, kỡm quang hc, chuyn ng ca ht by trong cht lu di tỏc ng ca quang lc v lc Brown c tng quan Mt s kt qu nghiờn cu ban u v kỡm quang hc s dng hai chựm xung Gauss ngc chiu s c gii thiu v phõn tớch cỏc yu t nh hng n n nh ca kỡm quang hc lm tin cho nhng nghiờn cu tip theo trong lun ỏn 1.1 Quang lc Photon ỏnh sỏng bc súng cú ng lng nh sau: Pin = kin . 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. 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: . 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