BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  BÙI SỸ KHIÊM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA BA CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 66.44.11.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Quang Quý VINH-2010 -1- Lời cảm ơn Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Vật Lý, Khoa sau Đại học – Trường Đại Học Vinh nhiệt tình giảng dạy hết lòng giúp đỡ tác giả trình học tập nghiên cứu Luận văn hoàn thành hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Quang Quý Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy! Lời cảm ơn chân thành tác giả xin dành cho người thân, gia đình bạn bè, đặc biệt lớp cao học 16 – chuyên ngành quang khoa Vật Lý – Trường Đại Học Vinh, suốt thời gian qua cổ vũ, động viên để tác giả hoàn thành nhiệm vụ Mặc dù có nhiều cố gắng, song luận văn tránh khỏi thiếu sót, tác giả kính mong nhận dẫn nhà khoa học bạn đồng nghiệp Vinh, tháng 11 năm 2010 Tác giả Bùi Sỹ Khiêm -2- MỤC LỤC Trang Mục lục…………………………………………………………………… Mở đầu…………………………………………………………………… Chương I Một số khái niệm kết nghiên cứu bẫy quang học………………………………………………………………………… 1.1 Quang lực…………………………………………………………… 1.1.1 Khái niệm quang lực………………………………………… 1.1.2 Quang lực tác dụng lên hạt điện môi………………………… 1.2 Cấu hình hoạt động bẫy quang học…………………………… 15 1.2.1 Bẫy chùm tia Gauss…………………………………… 16 1.2.2 Bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều 18 1.2.2.1 Cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều………………………………… 18 1.2.2.2 Phân bố cường độ tổng hai xung Gauss ngược chiều ……………………………………………… 19 1.2.2.3 Quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi……………………………… 23 1.3 Ứng dụng bẫy quang học………………………………………… 24 1.4 Kết luận chương I…………………………………………………… 27 Chương II Phân bố cường độ không gian ba cặp xung Gauss ngược chiều………………………………………………………………… 28 2.1 Cấu hình bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss ngược chiều… 28 2.2 Phân bố cường độ không gian ba cặp xung Gauss ngược chiều………………………………………………………………… 29 2.2.1 Ảnh hưởng khoảng cách hai mặt thắt chùm tia d đến 34 phân bố cường độ tổng……………………………………… 2.2.2 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia w0 đến phân bố cường độ tổng………………………………………………… 36 2.2.3 Ảnh hưởng lượng xung bơm U đến phân bố cường 37 độ tổng……………………………………………………… 2.3 Kết luận chương II…………………………………………………… 39 Chương III Phân bố quang lực không gian ba cặp xung 40 Gauss ngược chiều………………………………………………………… -3- 3.1 Quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện 40 môi…………………………………………………………………… 3.1.1 Các thành phần quang lực cặp xung Gauss………… 40 3.1.2 Quang lực tổng hợp ba cặp xung Gauss………………… 45 3.2 Phân bố quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi………………………………………………………… 47 3.2.1 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào khoảng cách 49 hai mặt thắt chùm tia d……………………………………… 3.2.2 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào bán kính mặt thắt 51 chùm tia w0……………………………………… 3.2.3 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào lượng xung 53 bơm U………………………………………………………… 3.2.4 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào bán kính a hạt 54 điện môi……………………………………………………… 3.3 Kết luận chương III………………………………………………… 56 Kết luận chung…………………………………………………………… 57 Các công trình công bố ………………………………………………… 58 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 59 MỞ ĐẦU Bẫy quang học (optical trap) hay kìm quang học (optical tweezer) thiết bị giam giữ đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử hạt điện môi (dielectric nanoparticles), nguyên tử sau bị làm lạnh laser (laser cooling), hồng cầu, tế bào lạ,… Nguyên lý hoạt động bẫy quang học dựa tác động quang lực (optical force) lên hạt có có kích thước cỡ nanomet Bẫy quang học hay kìm quang học đề cập nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm đưa vào sử dụng khảo sát trình động số hạt nano Mục tiêu bẫy quang học ổn định đối tượng nghiên cứu Chất lượng bẫy cao độ ổn định cao vùng ổn định không - thời gian lớn -4- Năm 1970, Ashkin [10],[11],[14] người dùng bẫy quang học giữ lại hạt hình cầu, thắng trọng lực vùng phân kỳ chùm laser Trong nghiên cứu bẫy quang học, ông sử dụng định luật bảo toàn động lượng lượng để giải thích trình tương tác photon lên hạt điện môi nhỏ, kết truyền phần động lượng vào việc dịch chuyển hạt nhờ ánh sáng laser Điều dự đoán Kepler đầu kỷ XII (khi quan sát chổi chuyển động quanh mặt trời) Maxwell năm 1986 áp suất ánh sáng [11] A.Ashkin rằng, hạt bị bẫy không gian ba chiều vùng thắt chùm laser đơn Nếu mặt thắt đủ nhỏ, hạt bị bẫy chùm tia Từ cấu hình bẫy quang học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Sử dụng tia sáng thẳng đứng hay nằm ngang, lắp đặt đôi, hay nhiều chùm tia để thiết kế bẫy quang học hay hệ làm lạnh quang học Như vậy, từ năm 1970, Ashkin sử dụng chùm laser để giam giữ hạt có kích thích cỡ micro nano [9] Thuật ngữ bẫy quang học hay kìm quang học đời Từ đến nay, nhiều công trình nghiên cứu bẫy quang học hay kìm quang học quan tâm nghiên cứu [18] Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào bẫy quang học sử dụng chùm laser liên tục có quang lực đạt cỡ hàng trăm pN, hay sử dụng xung Gauss có độ rộng xung lớn hiệu suất bẫy không cao, chưa đề cập đến chuyển động nhiệt Brown đối tượng nghiên cứu môi trường (hay chất lưu), chưa quan tâm đến độ lớn vùng ổn định thời gian ổn định v.v… Hiện nay, có số đề tài tài nghiên cứu cấp nhà nước như: Chế tạo kính hiển vi laser quét đồng tiêu (Viện KHVN) ứng dụng nghiên cứu tế bào lạ, vi khuẩn Nghiên cứu hệ làm lạnh quang từ (ĐH Vinh – Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan) để làm lạnh nguyên tử,…Đó đề tài cần đến ổn định đối tượng nghiên cứu Để có luận khoa học ổn định đối -5- tượng nghiên cứu sử dụng thiết bị cần có nghiên cứu cụ thể mà trước hết mặt lý thuyết, nhằm mục đích cho trình xây dựng thực nghiệm Trong xu đó, số công trình nghiên cứu nước công bố kết nghiên cứu bẫy quang học sử dụng cặp chùm tia laser Gauss ngược chiều Tuy nhiên, với cấu trúc bẫy sử dụng để bẫy đối tượng nằm mặt phẳng mẫu, mà đảm bảo độ ổn định cao không gian Điều khắc phục sử dụng hai ba cặp chùm tia Gauss ngược chiều vuông góc với Cho đến năm 2007 nhiều công trình giới công bố kết nghiên cứu bẫy quang học, đặc biệt kết sử dụng bẫy quang học nghiên cứu đối tượng sinh, hoá học Sử dụng bẫy quang nghiên cứu bạch cầu hồng cầu trong tế bào sống [19], nghiên cứu hạt vàng nano [21], đo kích thước hạt kích thước micromet [8] Trong nghiên cứu gần nhóm tác giả thuộc Viện KH&CNQS Trường ĐH Vinh Vinh [4], sử dụng xung Gauss làm đối xứng quang lực bẫy gây nên ổn định nó, đặc biệt quang lực dọc (longitudinal force) Bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều loại trừ tượng không đối xứng lực dọc nâng cao hiệu bẫy quang học Trong công trình nghiên cứu tác giả nêu khả thu hẹp vùng ổn định bẫy [3] Tuy nhiên, vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến trình ổn định mẫu hay ổn định bẫy, là: ảnh hưởng quang lực thông qua lượng độ rộng xung laser bơm, ảnh hưởng môi trường chứa mẫu, ảnh hưởng nhiệt độ, ảnh hưởng kích thước, dạng chiết suất mẫu nghiên cứu bước đầu lý thuyết công bố năm qua Tuy nhiên, kết nghiên cứu tập trung vào bẫy quang học chiều (một cặp chùm tia ngược chiều nhau) Trong đó, đối tượng nghiên cứu nằm không gian tự do, ví dụ thiết bị làm -6- lạnh nguyên tử, đối tượng hạt dạng khí hay hạt lơ lửng chất lưu dạng khối v.v…Chính vậy, cấu trúc chiều không đảm bảo độ ổn định cho bẫy Do đó, cần có số nghiên cứu bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm tia laser Gauss ngược chiều vuông góc với không gian, mà trước hết phân bố cường độ quang lực chúng Trên sở đó, luận văn giới hạn nội dung với tên đề tài: Khảo sát phân bố quang lực không gian ba cặp chùm Gauss ngược chiều Dựa sở lý thuyết tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết chùm laser Gauss, lý thuyết bẫy quang học, phương pháp mô số máy tính,…đề tài đưa biểu thức toán học, mô cường độ tổng quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác động lên hạt điện môi Từ đưa luận có tính khoa học, phân tích điều kiện, chủ yếu khảo sát ảnh hưởng tham số chùm tia lên phân bố cường độ tổng, phân bố quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu Rayleigh Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung luận văn trình bày ba chương Chương I Một số khái niệm kết nghiên cứu bẫy quang học Trong chương trình bày khái niệm quang lực, xây dựng biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi hình cầu Rayleigh, xung laser Gauss, cấu trúc, hoạt động số ứng dụng bẫy quang học sử dụng chùm Gauss, hai chùm Gauss ngược chiều Chương II Phân bố cường độ không gian ba cặp xung Gauss ngược chiều Trong chương đề xuất mô hình bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss ngược chiều, xây dựng biểu thức cường độ laser ba cặp xung Gauss ngược chiều không gian ba chiều Qua mô cường độ -7- tổng phân tích ảnh hưởng tham số chùm tia lên phân bố cường độ tổng Chương III Phân bố quang lực không gian ba cặp xung Gauss ngược chiều Trong chương xây dựng biểu thức quang lực tác động lên hạt bẫy tạo ba cặp chùm Gauss ngược chiều Mô phân bố quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt vi mô Qua đề cập đến tính ổn định bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss truyền lan ngược chiều Chương I MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BẪY QUANG HỌC 1.1 Quang lực 1.1.1 Khái niệm quang lực Như biết, hạt nhỏ chịu tác dụng ánh sáng, bị giữ vùng không gian nhỏ để thao tác Nguyên nhân ánh sáng tạo lực [10] Những photon ánh sáng có động lượng, vào môi trường có hệ số khúc xạ khác với môi trường ban đầu, tia sáng khúc xạ mặt tiếp xúc hai môi trường, động lượng photon thay đổi hướng, thõa mãn định luật bảo toàn -8- động lượng Sự thay đổi động lượng photon chuyển qua hạt sinh lực tác dụng lên hạt, quang lực [10] Quang lực thường phân tích thành hai thành phần: lực gradient (gradient force) lực tán xạ (scattering force) Lực tán xạ chùm tia đối xứng tác động theo hướng chùm tia đẩy hạt theo hướng Trong lực gradient tác dụng lên hạt hướng vùng có cường độ cao (với hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường), đẩy hạt khỏi chùm tia (với hạt có chiết suất nhỏ chiết suất môi trường) 1.1.2 Quang lực tác dụng lên hạt điện môi Trước hết, xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn nhiều bước sóng ánh sáng Chiết suất hạt lớn chiết suất môi trường chứa hạt ánh sáng coi tập hợp tia sáng thõa mãn định luật quang hình học [11] Để biết rõ nguồn gốc quang lực trường hợp này, sử dụng kiến thức quang hình học Áp dụng định luật bảo toàn động lượng quan sát tương tác photon với bề mặt phân cách hai môi trường điện môi có hệ số khúc xạ khác Trong điều kiện bản, photon phản xạ khúc xạ bề mặt vectơ mômen động lượng thay đổi Hạt tiếp nhận phần động lượng biến đổi bị kéo đẩy hướng đối diện phần mômen biến đổi photon Xét tia sáng tới bề mặt phân cách hai môi trường điện môi (hình 1.1) -9- Tia tới Tia phản xạ Tia truyền qua Hình 1.1 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng Tại mặt phân cách hai môi trường điện môi Một photon dòng tia tới có động lượng:   Pin =  k in =  k in rˆin (1.1) đây:  = h / 2π , với h số Plank,  k in k in vectơ sóng số sóng tương ứng, rˆin vectơ đơn vị dọc theo đường tia sáng Như biết, số sóng biểu diễn: k in = 2π 2πnmedium = λ λ0 (1.2) rˆin = sin(θ )iˆ − cos(θ ) ˆj (1.3) đó: nmedium hệ số khúc xạ (chiết suất) môi trường xung quanh, λ0 bước sóng chân không Thay (1.2) (1.3) vào (1.1) ta có động lượng tia tới là: - 10 - ( ) ( ) ~ k w04 ~z − d kw02 ~ t    n2 2αI lz ( ρ z , z , t , d ) + −   − zˆ  σI rz ( ρ z , z , t , d ) + 2 cτ    c cτ cn22 ε kw02 ( ) ) ~  ~ ~  ~2  ~ + + d − 2ρ ~ 2~ z  2 z + d    + k w0 z + d − kw0 t  ×  ~ 2 cτ  c 2τ ~   1 + z + d        ( + 2αk~ z cn2 ε ( )  I ly ( ρ y , y, t , d ) I ry ( ρ y , y, t , d ) I ( ρ , x, t , d ) I ( ρ , x, t , d )   lx x rx x  ~2 + ~2 + ~2 + ~   (3.34) ~ ~ ~ ~  + y + d 1+ y − d 1+ x + d + x − d   ( ) ( ) ( ) ( ) Quang lực tổng hợp ba cặp xung Gauss tác dụng lên hạt điện môi hình cầu chế độ Rayleigh xác định biểu thức sau:     Ftotal = FX + FY + FZ (3.35) Độ lớn quang lực tổng hợp: Ftotal = FX2 + FY2 + FZ2 (3.36)    đó: FX , FY , FZ xác định từ biểu thức (3.30), (3.32) (3.34) 3.2 Phân bố quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi Từ biểu thức (3.30), (3.32), (3.34) (3.36) ta nhận thấy rằng, quang lực tổng hợp ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu chế độ Rayleigh phụ thuộc vào tham số chùm tia khoảng cách hai mặt thắt chùm tia, bán kính chùm tia, lượng xung bơm v.v… Ngoài phụ thuộc vào chất hạt chiết suất hạt, bán kính hạt Để khảo sát phân bố quang lực tổng hợp, giả sử bẫy quang học cấu tạo từ ba cặp xung laser ngược chiều có bước sóng λ = 1.064µm , phát từ buồng cộng hưởng cầu có dạng Gauss với bán kính mặt thắt chùm tia tia w0 = 5µm , độ rộng bán xung τ = ps lượng xung bơm U = 0.1µJ Bẫy quang học - 49 - sử dụng bẫy hạt thuỷ tinh hình cầu có bán kính a = 5nm , chiết suất n1 = 1.592 trộn nước có chiết suất n = 1.332 nhiệt độ 27 C Sau khảo sát phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng toạ độ Với việc chọn tham số trên, kết mô quang lực tổng hợp ba cặp chùm xung laser Gauss truyền lan ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu Rayleigh tính toán trình bày hình 3.2 Ftotal (N ) a b c Hình 3.2 Phân bố quang lực tổng Ftotal mặt phẳng toạ độ Cột a Trên mặt phẳng xOy; Cột b Trên mặt phẳng xOz; Cột c Trên mặt phẳng yOz - 50 - Qua mô quang lực tổng hợp mặt phẳng toạ độ trục toạ độ nhận thấy rằng, phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng toạ độ trục toạ độ hoàn toàn có tính chất đối xứng Quang lực tổng hợp trục toạ độ chia làm hai thành phần có hướng đối diện với quang lực đóng vai trò lực hướng tâm Vì vậy, vùng ổn định bẫy hình cầu, quang lực tác dụng lên hạt phân bố bề mặt hình cầu có chiều hướng vào tâm Điều có nghĩa hạt điện môi bị giam hình cầu có xu hướng bị hút vào tâm hình cầu tức tâm vùng ổn định Trong mặt phẳng toạ độ nhận thấy quang lực tổng hợp phân bố có dạng hình nón giống “hố thế” mà hạt có xu hướng bị hút chìm xuống đáy nơi có quang lực nhỏ Do phân bố quang lực tổng hợp ba cặp chùm xung laser Gauss tác dụng lên hạt điện môi có tính chất đối xứng mặt phẳng toạ độ Vì vậy, cần khảo sát quang lực tổng hợp mặt phẳng toạ độ rút kết luận tương tự cho mặt phẳng toạ độ lại Để cụ thể hoá vấn đề, sau khảo sát phân bố quang lực mặt phẳng xOy 3.2.1 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào khoảng cách hai mặt thắt chùm tia d Với việc lựa chọn tham số: τ = ps, w0 = 5µm, t = , U = 0,1µJ phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng ( x = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m, y = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m ) với giá trị khác khoảng cách hai mặt thắt chùm tia d minh hoạ hình 3.3 Từ kết mô hình 3.3 cho thấy, độ lớn quang lực tổng hợp ba cặp chùm xung laser Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu chế độ Rayleigh phụ thuộc vào khoảng cách hai mặt thắt chùm tia d - 51 - Ftotal ( N ) a b c d Hình 3.3 Phân bố quang lực tổng Ftotal mặt phẳng toạ độ xOy Cột a d = ; Cột b d = 5µm ; Cột c d = 10 µm ; Cột d d = 15µm max max = 3,65.10 −13 N Khi d = 15µm Ftotal = 3,6.10 −13 N , điều Khi d = 5µm Ftotal có nghĩa tăng khoảng cách hai mặt thắt chùm tia độ lớn quang lực tổng hợp giảm xuống không đáng kể Tuy nhiên, bán kính vùng ổn định lại tăng theo chiều tăng d Khi tăng khoảng cách hai mặt thặt chùm tia từ d = ÷ 15µm bán kính vùng ổn định bẫy tăng từ r ≈ 2,3 ÷ 3,0µm Như vậy, độ lớn quang lực cực đại thay đổi bé thay đổi khoảng cách hai mặt thắt chùm tia Điều nói lên tính chất đối xứng bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm Gauss ngược chiều Vùng ổn định bé độ ổn định bẫy cao, ưu điểm mà bẫy chiều bẫy hai chiều - 52 - 3.2.2 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào bán kính mặt thắt chùm tia w0 Với việc lựa chọn tham số: τ = ps, d = 5µm, t = , U = 0,1µJ phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng ( x = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m, y = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m ) với giá trị khác w0 minh hoạ hình 3.4 Ftotal ( N ) a b c d Hình 3.4 Phân bố quang lực tổng Ftotal mặt phẳng toạ độ xOy Cột a w0 = 2,5µm ; Cột b w0 = 3,5µm ; Cột c w0 = 4,5µm ; Cột d w0 = 5,5µm Kết mô cho thấy quang lực tổng hợp phụ thuộc rõ nét vào bán kính mặt thắt chùm tia Khi tăng bán kính mặt thắt chùm tia độ lớn quang lực tổng hợp giảm cách rõ rệt, đồng thời bán kính vùng ổn định lại tăng lên cách đáng kể Điều thể đồ thị hình 3.4a 3.4b - 53 - [10-12N] 14 12 10 0 w0[] Hình 3.4a Sự phụ tuộc vào bán kính mặt thắt chùm tia w0 Đồ thị hình 3.4a cho thấy, bán kính mặt thắt tăng từ w0 = 1,5 ÷ 3,0µm max max ≈ 12.10 −12 N xuống Ftotal ≈ 1,7.10 −12 N quang lực cực đại giảm nhanh từ Ftotal Trong khoảng w0 = 3,0 ÷ 6,0 µm quang lực cực đại giảm dần từ max Ftotal ≈ 1,7.10 −12 ÷ 0,21.10 −12 N r[] w0[] Hình 3.4b Sự phụ thuộc bán kính vùng ổn định bẫy vào w0 Đồ thị hình 3.4b cho thấy bán kính vùng ổn định bẫy tăng dần tăng bán kính mặt thắt chùm tia Như vậy, bán kính mặt thắt chùm tia tham số quan trọng chùm tia Việc chọn bán kính mặt thắt chùm tia cách phù hợp nâng cao chất lượng bẫy 3.2.3 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào lượng xung bơm U - 54 - Với việc lựa chọn tham số: τ = ps, w0 = 5µm, t = , d = 5µm phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng ( x = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m, y = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m ) với giá trị khác lượng xung bơm U tính toán minh hoạ hình 3.5 Ftotal ( N ) a b c d Hình 3.5 Phân bố quang lực tổng Ftotal mặt phẳng toạ độ xOy Cột a U = 0,1µJ ; Cột b U = 0,25µJ ; Cột c U = 0,5µJ ; Cột d U = 0,75µJ Kết mô cho thấy, độ lớn quang lực tổng hợp tăng tăng lượng xung bơm Tuy nhiên, bán kính vùng ổn định tăng nhỏ, tăng lượng xung bơm từ U = 0,1 ÷ 0,25µJ bán kính vùng ổn định bẫy tăng - 55 - từ r ≈ 2,5 ÷ 2,3µm Sau ta tiếp tục tăng lượng xung bơm bán kính vùng ổn định không thay đổi có độ lớn r ≈ 2,1µm [10-12N] U[] Hình 3.6 Sự phụ thuộc vào lượng xung bơm U Cũng với tham số trên, khảo sát ảnh hưởng năng lượng xung bơm lên giá trị quang lực cực đại Kết mô trình bày hình 3.6 max Qua đồ thị hình 3.6 kết luận rằng, quan hệ Ftotal U max = f (U ) đường quan hệ bậc nhất, hay nói cách khác đồ thị hàm số Ftotal thẳng hàm số đồng biến 3.2.4 Sự phụ thuộc quang lực tổng hợp vào bán kính a hạt điện môi Với việc lựa chọn tham số: τ = ps, w0 = 5µm, t = , d = 5µm phân bố quang lực tổng hợp mặt phẳng ( x = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m, y = −3.10 −6 ÷ 3.10 −6 m ) với giá trị khác bán kính hạt a minh hoạ hình 3.7 Qua kết mô cho thấy, tăng bán kính hạt độ lớn quang lực tổng hợp tăng, bán kính vùng ổn định bẫy không thay đổi có giá trị r ≈ 2,5µm Ftotal ( N ) - 56 - a b c d Hình 3.7 Phân bố quang lực tổng Ftotal mặt phẳng toạ độ xOy Cột a a = 5nm ; Cột b a = 5,5nm ; Cột c a = 6,0nm ; Cột d a = 6,5nm Với tham số trên, khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt lên giá trị cực đại quang lực tổng hợp Kết trình bày hình 3.8 [10-13N] a[nm] Hình 3.8 Sự phụ thuộc vào bán kính hạt a - 57 - Từ đồ thị cho thấy, tăng bán kính hạt quang lực cực đại tăng lên đáng kể, điều có nghĩa thể tích hạt tăng lên quang lực tác dụng lên lớn 3.3 Kết luận chương III Trong chương xây dựng cách tường minh biểu thức tính quang lực tổng hợp ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu chế độ Rayleigh Qua khảo sát ảnh hưởng tham số chùm tia khoảng cách hai mặt thắt chùm tia, bán kính mặt thắt chùm tia, lượng xung bơm bán kính hạt lên quang lực tổng hợp Kết khảo sát cho thấy, quang lực tổng hợp ba cặp xung Gauss truyền lan ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi phụ thuộc vào tham số chùm tia Với việc chọn tham số chùm tia cách phù hợp bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss ngược chiều tồn vùng ổn định hình cầu hạt thao tác bị giam hình cầu Quang lực tác dụng lên hạt đóng vai trò lực hướng tâm nên hạt có xu hướng bị hút vào tâm hình cầu Độ lớn vùng ổn định bẫy giống quang lực phụ thuộc vào tham số chùm tia khoảng cách hai mặt thắt chùm tia, bán kính mặt thắt chùm tia lượng xung bơm Tuy nhiên, độ ổn định bẫy phụ thuộc vào tham số khác chiết suất khối lượng riêng hạt (hai tham số ảnh hưởng đến độ lớn quang lực) Hơn độ ổn định theo thời gian phụ thuộc vào môi trường xung quanh mẫu dung môi, độ lớn chân không (hai tham số ảnh hưởng đến lực gây chuyển động Braonơ) Mặt khác, khảo sát phân bố quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều với tham số cặp hoàn toàn giống mà chưa xét đến thay đổi khác tham số cặp chùm tia Trong khuôn khổ luận văn, vấn đề chưa đề cập đến nghiên cứu tiếp thời gian tới - 58 - KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập nghiên cứu số vấn đề quang lực, đặc biệt quang lực ba cặp chùm Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi Nội dung luận văn tóm lược điểm sau: Tìm hiểu tổng quan quang lực ứng dụng nghiên cứu nguyên tử, phân tử bẫy quang học (optical trap), kìm quang học (optical tweezer) làm lạnh quang học (optical cooling) Xây dựng biểu thức tính cường độ laser quang lực ba cặp chùm Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu Rayleigh Đã đề xuất mô hình bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm Gauss ngược chiều Tính toán khảo sát ảnh hưởng khoảng cách hai mặt thắt chùm tia, bán kính mặt thắt chùm tia, lượng xung bơm bán kính hạt lên cường độ tổng, quang lực tổng hợp Từ ảnh hưởng chúng lên cường độ tổng, quang lực tổng hợp độ lớn vùng ổn định bẫy Trong trình nghiên cứu phát ổn định bẫy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác chất hạt điện môi, môi trường xung quanh, thay đổi khác tham số cặp chùm tia Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu thời gian tới nội dung cần phát triển luận văn - 59 - CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ [1] Hồ Quang Quý, Bùi Sỹ Khiêm, Hoàng Đình Hải, Nguyễn Thị Hà Trang, Chu Văn Lanh, Khảo sát phân bố quang lực không gian hai cặp chùm Gauss ngược chiều, Tạp chí nghiên cứu KH&CN Quân sự, 082010 [2] Hồ Quang Quý, Bùi Sỹ Khiêm, Nguyễn Thị Hà Trang, Chu Văn Lanh, Khảo sát phân bố quang lực không gian ba cặp chùm Gauss ngược chiều, Hội nghị Vật lý lý thuyết toàn quốc lần thứ 35, 7-2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 60 - [1] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB Đại Học Quốc [2] Gia Hà Nội 2006 Trần Hải Tiến, Phân bố quang lực hai xung Gauss ngược chiều, Luận [3] văn thạc sĩ Vật Lý, thư viện ĐH Vinh 2008 Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Tran Hai Tien, Total power distribution of two counter-propagating pulsed Gauss Beams, Tạp chí nghiên cứu khoa [4] học kỹ thuật công nghệ Quân sự, No 23, 06-2008 Ho Quang Quy, Mai Van Luu, “Stable Manipulation Dielectric Sphere of Optical Trapping by two Counter-propagating Gaussian Pulsed Beams,” [5] IWP&A, Nhatrang, Sept.10-14, (2008) Ho Quang Quy and Mai Van Luu, Radiation Force Distribution of Optical Trapping by Two Counter-propagating CW Gaussian Beams Acting on Rayleigh Dielectric Sphere, Comm in Phys., Vol.19, No.3, [6] 2009, pp.174-180 Ho Quang Quy, Mai Van Luu and Tran Hai Tien, Total Power Distribution of Two Counter-propagating Pulsed Gaussian Beams, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 23, 2007, [7] trang 89-92 Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Dinh Xuan Khoa, Radiation Force Distribution of Optical Trapping by two counter-propagating Gaussian Beams Acting on Rayleigh Dielectric Sphere, Institute of Applied Physics, NEWTECHPRO, Hanoi; Vinh University, Vinh [8] R A Flynn et al, Bios & Biol 21, 2006, 1029-1036 [9] Ashkin A., Phys Rev Lett.24, 1970, 156-159 [10] A Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiantion pressure Phys Rev Lett., 24(4): 156 {159, 1970} [11] Howie George Mende, Optical Trapping, manipulation, translation and spinning of micron sized gears using a vertical dual laser diode system, Department of Physics and Astronomy, Submitted in partial Mfillment of - 61 - the requirements for the degree of Master of Science in Physics, Faculty of Graduate Studies Laurentian University Sudbury, Ontario, 2000 [12] Michael Gogler, Allen Ehrlicher, forcer on Small Spheres in a One-Beam Gradient Trapp, Wintersemester 2005/2006 [13] Joshua W Shaevitz, A partical guide to optical trapping, jshaevitz@berkeley.edu, August 22, 2006 [14] Li-Gang Wang, Cheng-Liang Zhao, Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, 2007 Optical Society of America [15] Thomas Molloer Hansen, Studies of translation, on the ensemble level using in vivo techniques and on the single molecule level using optical tweezers, EMBO reports VOL NO 2003 504 [16] A Ashkin, Ph.D., Theory of optical trapping, chap [17] C L Zhao, L G Wang, Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, Optical Society of America, Vol.32, 2007, pp.1393-1395 [18] J L Deng et al, Opt Express 13 (2006), pp.3673-3680; C L Zhao et al, Phys Lett A(2006), pp 502-506; L.G Wang et al, Lett 32 (2007), pp 1393-1395; H Kress et al, Phys Rev E 71, 061927 (2005); Y Seol et al, Opt Lett., Vol 31, No 16 (2006), pp 2429-2431; G Volpe et al, Phys Rev E76, 061118 (2007) [19] H Kress et al, Phys Rev E 71, 061927 (2005); A Pralle et al, J Cell Biol., 148, 2000, 997 [20] Alexander Rohrbach, Stiffness of Optical Traps: Quantitative Agreement between Experiment and Electromagnetic Theory, Phys Re Lett 95, 2005, pp.168102.1-4 [21] Y Seol et al, Opt Lett 32, 2006, 2429 [22] Neil A Schofield, Development of Optical Trapping for the Isolation of Environmentally Regulated Genes, Submitted in partial fulfịment of the requirement for the degree of doctor of philosophy 1998, University of - 62 - Reading, School of Animal and Microbial Sciences [23] Wiepke Koopmans, Thijs Aartsma, Optical Tweezers: The force of http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers, http://www.biop.dk/Research/Tweezers.htm - 63 - light [...]... ổn định của bẫy Vấn đề này sẽ được giải quyết với việc nghiên cứu bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss truyền lan ngược chiều vuông góc với nhau mà chúng ta sẽ tìm hiểu, nghiên cứu trong các chương sau - 29 - Chương II PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN CỦA BA CẶP XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU 2.1 Cấu hình bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss ngược chiều Mẫu bẫy quang học tạo bởi ba cặp chùm Gauss truyền... lan ngược chiều được mô tả như trên hình 2.1 z O x y Hình 2.1 Mô hình bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm xung Gauss ngược chiều 1 Nguồn laser, 2 Hệ mở rộng chùm tia, 3 Gương lái tia, 4 Hệ quang hội tụ, 5 Hạt điện môi Nguyên tắc hoạt động của bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm Gauss ngược chiều cũng giống như bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss ngược chiều Các chùm tia laser sau khi đi qua hệ mở rộng chùm. .. hình vẽ 2.2 Phân bố cường độ trong không gian của ba cặp xung Gauss ngược chiều a) Cặp xung Gauss truyền dọc theo trục z Vị trí của hai chùm xung Gauss trong bẫy quang học có thể xảy ra hai trường hợp sau: - Hai mặt thắt của các chùm xung Gauss không vượt qua vùng trường xa của nhau, trong trường hợp này khoảng cách giữa hai mặt thắt ký hiệu là d > 0 - Hai mặt thắt vượt qua vùng trường xa, trong trường... vấn đề, dưới đây chúng tôi khảo sát sự phân bố cường độ tổng trong mặt phẳng toạ độ Oxy 2.2.1 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai mặt thắt chùm tia d đến phân bố cường độ tổng Phân bố cường độ tổng của ba cặp chùm xung laser Gauss ngược chiều được xác định bởi công thức (2.12), chúng ta sử dụng bộ tham số như đã chọn ở trên khảo ( x = −20 ÷ 20µm, sát phân bố cường độ tổng trong mặt phẳng y = −20 ÷ 20... cầu nhỏ chịu tác dụng của quang lực gây bởi hai chùm Gauss lan truyền ngược chiều trong không gian ba chiều Tương tự như công trình nghiên cứu của Zhao, giả sử hướng phân cực của điện trường dọc theo trục x Mặt thắt của chùm Gauss bên trái có vị trí −d / 2 , và của chùm Gauss bên phải có vị trí là d / 2 trên trục z có gốc toạ độ z=0 [17] Như vậy, vị trí có toạ độ z sẽ cách mặt thắt chùm tia bên trái một... và biểu thức quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi hình cầu Rayleigh Từ đó tìm hiểu về cấu trúc, nguyên tắc hoạt động và những ứng dụng của một số bẫy quang học như bẫy một chùm tia Gauss, bẫy sử dụng hai chùm xung laser Gauss ngược chiều Đối với bẫy quang học sử dụng một chùm xung Gauss thì chúng ta nhận thấy rằng nó sẽ làm mất tính đối xứng của quang lực trong bẫy và... lực dọc Fz và quang lực ngang Fgrad , ρ tác dụng lên hạt Trong cả hai thành phần ngang và dọc của lực gradient có tác dụng như lực hồi  phục hướng về phía trung tâm của chùm tia cho hạt có m〉1 , còn lực tán xạ Fscat đẩy hạt theo hướng lan truyền của chùm tia Từ đó, dẫn đến có thể sử dụng một chùm Gauss để bẫy hạt trong không gian ba chiều và chùm tia phải chiếu thẳng đứng từ dưới lên để lực tán xạ cân... định, trong đó chứa mẫu cần nghiên cứu Thông thường hai tiêu điểm nằm cách nhau một khoảng từ 100nm đến 250 nm Khoảng cách này ảnh hưởng lớn đến giá trị của quang lực tổng tác động lên mẫu Tuy nhiên, việc lựa chọn giá trị của lực và giá trị của không gian bẫy phụ thuộc vào các tham số của mẫu (của hạt điện môi) 1.2.2.2 Phân bố cường độ tổng của hai xung Gauss ngược chiều Bẫy quang học sử dụng một chùm Gauss. .. m / s Chúng ta mô phỏng phân bố cường độ tổng của ba cặp xung Gauss ngược chiều Từ biểu thức (2.12) chúng ta nhận thấy rằng, phân bố cường độ tổng của ba cặp xung Gauss truyền lan ngược chiều trong các mặt phẳng toạ độ hoàn toàn có tính chất đối xứng như nhau Vì vậy, chúng ta chỉ cần mô phỏng cường độ tổng trong một mặt phẳng toạ độ nào đó và rút ra các kết luận tương tự trong các mặt phẳng toạ độ... tính ổn định của bẫy, đặc biệt là quang lực dọc Bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều nhau sẽ loại trừ được hiện tượng không đối xứng lực dọc, chính vì vậy sẽ nâng cao hiệu quả của bẫy Tuy nhiên, đối với các loại bẫy quang học này thì hạt mẫu phải nằm trong mặt phẳng mẫu Trong khi đó, những đối tượng nghiên cứu có thể nằm trong không gian tự do Chính vì vậy, cấu trúc một chiều không đảm bảo ... PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN CỦA BA CẶP XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU 2.1 Cấu hình bẫy quang học sử dụng ba cặp xung Gauss ngược chiều Mẫu bẫy quang học tạo ba cặp chùm Gauss truyền lan ngược chiều. .. lên phân bố cường độ tổng Chương III Phân bố quang lực không gian ba cặp xung Gauss ngược chiều Trong chương xây dựng biểu thức quang lực tác động lên hạt bẫy tạo ba cặp chùm Gauss ngược chiều. .. chương III - 41 - Chương III PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA BA CẶP XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU 3.1 Quang lực ba cặp xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi Như phân tích trình bày chương