BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH DƯƠNG THỊ THANH HÀ PH¢N Bè C¦êNG §é Vµ QUANG LùC CñA K×M Sö DôNG BA CHïM TIA PH¢N CùC TRßN §èI NHAU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HỒ QUANG QUÝ NGHỆ AN - 2012 2 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ sự kính trọng, lòng cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý, Khoa sau Đại học - Trường Đại học Vinh đã dành nhiều tâm huyết truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với thầy giáo, PGS. TS. Hồ Quang Quý; người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tác giả với tấm lòng hết mực của người thầy và tinh thần đầy trách nhiệm của nhà nghiên cứu khoa học đã giúp tác giả nâng cao kiến thức, phát huy tính sáng tạo trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành đối với người thân, gia đình và bạn bè đã động viên, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự chỉ dẫn của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp Vinh, tháng 8 năm 2012 Tác giả Dương Thị Thanh Hà MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .7 Chương 1 TỔNG QUAN BẪY QUANG HỌC 10 1.1. Quang lực .10 1.1.1. Năng lượng và xung lượng của photon .10 1.1.2. Tương tác của photon với vật thể 10 1.1.3. Hiện tượng khúc xạ qua hạt tán xạ Mie 11 1.1.4. Hiện tượng phản xạ từ hạt Mie 15 1.1.5. Áp suất bức xạ 15 1.1.6. Lực gradient quang học 17 1.1.7. Tính quang lực trong chế độ Rayliegh 20 1.2. Kìm quang học sử dụng ba cặp chùm laser Gauss đối nhau .22 1.2.1. Cấu hình bẫy quang học sử dụng ba cặpchùm Gauss ngược đối nhau 22 1.2.2. Phân bố cường độ trong không gian 23 1.2.3. Quang lực của từng cặp chùm Gauss 26 1.2.4. Quang lực tổng hợp của ba cặp chùm Gauss .31 1.3. Kết luận 34 Chương 2 KÌM QUANG HỌC BA CẶP CHÙM GAUSS PHÂN CỰC TRÒN ĐỐI NHAU 36 2.1. Các trạng thái phân cực .36 2.1.1. Phân cực Ellip .37 2.1.2. Phân cực tuyến tính (hay phân cực thẳng) .39 2.1.3. Phân cực tròn 39 2.2. Biểu diễn ma trận của các trạng thái phân cực 40 2.3. Cấu hình kìm ba cặp chùm tia phân cực tròn đối nhau 41 2.4. Phân bố cường độ laser trong không gian bẫy 44 2.5. Phân bố lực Gradient 47 2.6. Kết luận 48 KẾT LUẬN CHUNG .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ví dụ về hiện tượng phản xạ và khúc xạ trên giao diện .11 Hình 1.2. Khúc xạ của nhiều tia qua hạt vi mô 12 Hình 1.3. Phân bố 1 chiều của cường độ laser sử dụng giữ hạt vi mô 13 Hình 1.4. Hướng thay đổi của xung lượng hạt do tác động của chùm tia hội tụ .14 Hình 1.5. Bẫy quang học sử dụng hiệu ứng phản xạ .15 Hình 1.6. Quang trình khúc xạ của hai tia qua hạt hình cầu nằm trước tiêu điểm của một chùm Gauss .18 Hình 1.7. Quang trình khúc xạ của hai tia qua hạt hình cầu nằm sau tiêu điểm của một chùm Gauss .19 Hình 1.8. Mô hình bẫy quang học sử dụng ba cặp chùm Gauss ngược chiều 22 Hình 1.9. Hai chùm Gauss ngược chiều tán xạ trên hạt điện môi hình cầu dọc theo trục x .23 Hình 2.1. Tiến trình theo thời gian của véc tơ điện trường tại một số vị trí 36 Hình 2.2. Phân cực elip của ánh sáng 38 Hình 2.3. Phân cực tuyến tính của ánh sáng .39 5 Hình 2.4. Quỹ đạo của đầu mút véc tơ điện trường của sóng phẳng phân cực tròn .40 Bảng 2.1. Véc tơ Jones .41 Hình 2.5. Kìm quang học sử dụng trong bẫy quang - từ 42 Hình 2.6. Phân bố cường độ tổng của ba cặp chùm laser trên mặt cắt x-y chuẩn hóa theo W0 .46 Hình 2.7. Phân bố lực gradient trên trục x theo bán kính chuẩn hóa theo W0 .48 6 MỞ ĐẦU Vào năm 1871, bằng lý thuyết Maxwell đã chỉ ra rằng xung lượng (momentum) của ánh sáng có thể tạo ra một áp lực trên mặt tiếp xúc. Sau này, hiệu ứng này được gọi là “áp suất bức xạ” (radiation pressure) [2,3]. Năm 1901, nhóm của Lebedev và nhóm của Nichols đã độc lập thực hiện thí nghiệm về áp lực tác động lên vật thể. Áp lực này rất nhỏ vì cường độ dòng photon rất thấp. Năm 1960, khi laser ra đời, cường độ dòng photon được tăng cường lên rất nhiều và áp suất bức xạ đã có thể ứng dụng vào các mục đích khác nhau. Vào năm 1971, Askin đã tìm cách cân bằng với áp suất bức xạ với lực trọng trường và đã bẫy được hạt điện môi (dielectri nanoparticles) có kích thước 20 m µ . Askin cùng cộng sự tiếp tục theo đuổi lĩnh vực bẫy quang học áp dụng cho các hạt kích thước nhỏ [3,9,11]. Các công trình của ông chủ yếu quan tâm tới bẫy các nguyên tử và hạt keo và được phân thành hai loại: làm lạnh nguyên tử bằng laser và bẫy quang học. Năm 1986, Askin cùng cộng sự lần đầu tiên công bố kết quả sử dụng bẫy quang học một chùm tia để giữ các hạt có đường kính từ 25 nm đến 10 m µ tại một điểm trong nước. Thiết bị mà Askin sử dụng để bẫy các hạt này được gọi là kìm quang học “Optical Tweezer” và phương pháp này được gọi là “bẫy quang học” (Optical Trap), là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: các hạt điện môi, các nguyên tử sau khi đã bị làm lạnh bằng laser (laser cooling), hồng cầu, các tế bào lạ,… nguyên lý hoạt động của BQH (bẫy quang học) dựa trên sự tác động của quang lưc (optical force) lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Đến nay, việc nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của kìm quang học đã được phát triển mạnh và đưa vào ứng dụng thực tế đặc biệt các kết quả sử dụng BQH nghiên cứu các đối tượng sinh, hóa học. Sử dụng bẫy nghiên cứu 7 hồng cầu trong tế bào sống [17 ], nghiên cứu hạt vàng nano, đo kích thước của các hạt cỡ micromet.v.v . Có nhiều cấu hình của kìm quang học như: sử dụng một chùm tia, hai cặp chùm đối nhau va ba cặp chùm tia đối nhau. Mỗi cấu hình đều có ưu điểm và nhược điểm riêng và được ứng dụng vào mục đích thích hợp. Kìm một chùm tia sử dụng trong việc bẫy các đối tượng nằm trên tiêu bản trong Y sinh học; kìm sử dụng hai chùm tia đối nhau với mục đích loại trừ quang lực dọc (loại trừ sai số cấu hình và cường độ của hai chùm tia), bẫy các đối tượng trong không gian ba chiều; nhằm nâng cao độ chính xác và sự ổn định của kìm sử dụng hai chùm tia đối nhau. Đặc biệt, kìm quang học sử dụng ba chùm tia đã được sử dụng trong công nghệ làm lạnh nguyên tử với độ chính xác cao về không gian ổn định. Tuy nhiên, trong nghiên cứu bẫy quang từ, việc sử dụng kìm ba chùm tia đối nhau được xem như mặc định, mà chưa có những nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các chùm tia lên hiệu quả bẫy. Mặt khác, trong bẫy quang từ, các chùm tia laser đều có phân cực tròn phải hoặc tròn trái với mục đích tạo ra hấp thụ lọc lựa của nguyên tử đối với hiệu ứng Dopler [19]. Rất tiếc, trong các nghiên cứu trước đây về kìm quang học, đặc biệt trong các tính toán lý thuyết, chỉ quan tâm đến phân cực tuyến tính của chùm tia [18] mà chưa quan tâm đến phân cực tròn. Trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu kìm quang học sử dụng ba cặp chùm tia phân cực tròn đối nhau. Điều chúng tôi quan tâm nhất là ảnh hưởng của trạng thái phân cực tròn lên phân bố cường độ và quang lực trong không gian ba chiều. Toàn bộ nội dung trên được trình bày dưới tiêu đề: “Phân bố cường độ và quang lực của kìm sử dụng ba chùm tia phân cực tròn đối nhau”. Dựa trên cơ sở lý thuyết về tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết phân cực của chùm laser, lý thuyết BQH, phương pháp mô phỏng số 8 trên máy tính, . đề tài sẽ đưa ra biểu thức toán học, mô phỏng cường độ tổng và quang lực của ba cặp chùm Gauss phân cực tròn ngược chiều tác động lên hạt điện môi. Từ đó đưa ra được các luận cứ khoa học từ đó rút ra các kết luận định hướng. Ngoài phần mở đầu và kết luận chung nội dung luận văn được trình bày trong hai chương chính. Chương I: Tổng quan về bẫy quang học. Trong chương này chúng tôi trình bày về khái niệm quang lực; Xây dựng biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi; cấu trúc và các biểu thức tính phân bố cường độ và quang lực của kìm quang học sử dụng ba chùm tia đối nhau. Chương II: Kìm quang học ba cặp chùm Gauss phân cực tròn đối nhau. Trong chương này chúng tôi trình bày về các trạng thái phân cực của chùm tia laser, biểu thức của cường độ và quang lực trong kìm sử dụng ba chùm tia phân cực tròn đối nhau. Từ đó khảo sát phân bố không gian của chúng. Từ kết quả chương 2, chúng tôi sẽ có những bình luận và kết luận định hướng cho các nghiên cứu thực nghiệm sau này. 9 Chương 1 TỔNG QUAN BẪY QUANG HỌC 1.1. Quang lực 1.1.1. Năng lượng và xung lượng của photon Từ cơ học cổ điển và cơ học lượng tử chúng ta biết rằng mỗi một photon riêng lẻ có năng lượng và xung lượng riêng. Năng lượng của photon cho bởi hc E λ = (1.1.1) Trong đó E (J)là năng lượng, h (=6,625.10 -34 J.s) là hằng số Plank, c (=299792458m/s) là vận tốc ánh sáng trong chân không, λ (m) là bước sóng của photon. Xung lượng của photon này cho bởi h p λ = (1.1.2) Ví dụ: Một photon có bước sóng 1000nm sẽ có năng lượng 19 1,99.10E J − = và xung lượng 28 6,625.10 .P N s − = . Thông thường có thể sử dụng đơn vị năng lượng ở dạng lực-khoảng cách: .pN nm hay .pN m µ . Năng lượng photon trên có thể đổi thành 199 .pN nm (hay 0,199 .pN m µ ). Năng lượng này có thể so sánh với một số năng lượng khác. Ví dụ: năng lượng để phân hủy ATP thành ADP gần 100 .pN nm ; một ion chuyển động qua một kênh ion sẽ nhận được một năng lượng gần 30 .pN nm , hay nhiệt năng, B k T tại nhiệt độ phòng vào khoảng 4 .pN nm . Xung lượng của một photon cực nhỏ, do đó nó tự gây ra một hiệu ứng rất nhỏ lên hệ có kích thước nano. Tuy nhiên nếu sử dụng thiết bị phát trường điện từ có chất lượng cao, như laser thì sinh ra hiệu ứng rất lớn. 1.1.2. Tương tác của photon với vật thể Một chùm photon có thể tác động lên một vật thể theo nhiều cách khác nhau. Kích thước của vật thể là điều kiện tới hạn xác định hiệu ứng của các 10