1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH --------000-------- NGUYỄN THỊ HÀ TRANG KHẢO SÁT PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 66.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS HỒ QUANG QUÝ VINH - 2010 2 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến: Thầy giáo, PGS. TS Hồ Quang Quý đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lý cùng các thầy giáo, cô giáo khoa Sau Đại học, Khoa Vật lý đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Vinh, tháng 12 năm 2010 HV: Nguyễn Thị Hà Trang MỤC LỤC 3 Trang MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ CỦA BẪY QUANG HỌC .9 1.1.Khái niệm về quang lực 9 1.2.Quang lực của hạt tác động lên hạt điện môi .9 1.3.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bẫy quang học .16 1.4.Bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều 20 1.5.Một số kết quả của bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều .21 1.5.1.Phân bố cường độ tổng của hai xung Gauss ngược chiều 21 1.5.2.Quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi 22 1.6.Ứng dụng của bẫy quang học .23 1.6.1. Trong sinh học 23 1.6.2.Trong y học 24 1.6.3. Trong vật lý 24 1.6.4. Trong nghiên cứu công nghệ nanô .24 1.6.5. Trong giáo dục 25 1.7.Kết luận chương 1 25 PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU .27 2.1.Mô hình bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều .27 4 2.2.Cường độ của xung Gauss 28 2.3.Biểu thức cường độ tổng của hai cặp chùm tia ngược chiều .29 2.4.Mô phỏng ảnh hưởng của một số tham số lên cường độ của hai cặp xung Gauss ngược chiều 31 2.5.Kết luận chương .34 PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU .36 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU 48 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Một trong những thành tựu đáng tự hào của khoa học hiện đại là lần đầu tiên có sự ra đời của laser vào năm 1960. Cho đến 1970 laser đã được sử dụng rất rộng rãi với sự mở rộng vùng phổ từ hồng ngoại đến tử ngoại. Laser đã có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật cũng như trong nhiều lĩnh vực khác như y học, sinh học hay quân sự…[1]. Và đặc biệt thời gian gần đây laser lại được sử dụng để làm lạnh vật chất, giam giữ các hạt nhỏ cỡ nguyên tử. Năm 1970, A.Ashkin đã đưa ra ý tưởng sử dụng chùm tia laser để giữ lại các hạt hình cầu, thắng được trọng lực của nó trong vùng hội tụ của một chùm tia laser. Trong nghiên cứu này, ông đã sử dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng để giải thích quá trình tương tác của các 5 photon lên các hạt điện môi nhỏ. Kết quả là truyền một phần động lượng vào việc dịch chuyển hạt nhờ ánh sáng laser, nghĩa là các hạt đã bị photon tác dụng một quang lực. Từ đó, cấu hình về bẫy quang học đã rất được quan tâm nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm [8,9]. Bẫy quang học 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, hồng cầu, các tế bào lạ, .[10,11]. Nguyên lý hoạt động của bẫy quang học dựa trên sự tác động của quang lực lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Hiện nay, bẫy quang học đã được đề cập nghiên cứu bằng lý thuyết, thực nghiệm và đã đưa vào sử dụng khảo sát quá trình động của một số hạt nano. Mục tiêu của bẫy quang học là ổn định được đối tượng nghiên cứu. Hiện nay có một số đề 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 KH Ba Lan) để làm lạnh nguyên tử,…là những đề tài cần đến quá trình ổn định các đối tượng nghiên cứu. Để có được những luận cứ khoa học về ổn định của các đối tượng khi sử dụng các thiết bị trên cần có những nghiên cứu cụ thể, trước hết về mặt lý thuyết, nhằm mục đích định hướng cho quá trình xây dựng thực nghiệm. Trong xu thế trên, trước đây đã có một số công trình nghiên cứu về bẫy quang học sử dụng một cặp chùm laser Gauss ngược chiều nhau. Tuy nhiên, với cấu trúc như trên, bẫy chỉ sử dụng để bẫy các đối tượng nằm trên mặt phẳng mẫu, mà không thể bảo đảm độ ổn định cao trong không gian. Điều này chỉ có thể khắc phục được khi sử dụng hai hoặc ba cặp chùm tia ngược chiều vuông góc với nhau. Về mặt thực nghiệm và lý thuyết, đã có một số công trình trước đây nghiên cứu về bẫy quang học hai chiều. Tuy nhiên, để khẳng định về tính ổn định của bẫy và kích thước vùng ổn định của bẫy đối 6 với một đối tượng hạt mẫu nhất định, cần có những kết quả nghiên cứu mô phỏng về phân bố quang lực theo không gian hai chiều của nó. Từ lý do trên, chúng tôi đề xuất và chọn đề tài cho luận văn: “Khảo sát phân bố quang lực trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều” Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương. Chương 1. Một số khái niệm và kết quả của bẫy quang học, giới thiệu về quang lực, tổng quan về một số bẫy quang học đã được nghiên cứu và sử dụng, một số nghiên cứu về bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều, ứng dụng của bẫy quang học. Chương 2. Phân bố cường độ trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều nhau, xây dựng công thức tính cường độ laser trong không gian hai chiều, mô phỏng số cường độ của tia laser trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều. Chương 3. Phân bố quang lực trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều, xây dựng công thức tính quang lực và dùng phương pháp mô phỏng số để mô phỏng quang lực của chùm tia laser trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều. Phần kết luận chung: nêu những vấn đề đạt được trong nghiên cứu và hướng phát triển mới của luận văn. 2. Mục đích nghiên cứu Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm về bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều, đưa ra được các luận cứ có tính khoa học, thảo luận về khả năng ổn định được các hạt có kích thước nanô bằng bẫy quang học khi sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 7 - Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đưa ra mô hình bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều. - Tính cường độ và đưa ra biểu thức tính cường độ tổng của hai cặp chùm Gauss ngược chiều trong không gian. Mô phỏng cường độ tổng bằng phương pháp mô phỏng số. - Tính quang lực và đưa ra biểu thức tính quang lực tổng của hai cặp chùm Gauss ngược chiều trong không gian. Mô phỏng quang lực tổng bằng phương pháp mô phỏng số. Từ đó bình luận về vùng ổn định của bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều trong không gian. 4. Đối tượng và nội dung nghiên cứu A. Đối tượng nghiên cứu: - Bẫy quang học, quang lực. - Chùm laser, Xung Gauss. - Phân bố cường độ của chùm Gauss. - Phân bố quang lực của chùm Gauss B. Nội dung nghiên cứu: - Thiết lập biểu thức tính phân bố cường độ laser và quang lực tác động lên hạt điện môi của bẫy hai cặp chùm laser Gauss ngược chiều. - Khảo sát phân bố cường độ. - Khảo sát phân bố quang lực và bình luận về vùng ổn định của bẫy. 5. Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết về laser. - Lý thuyết về chùm Gauss. - Lý thuyết về bẫy quang học. - Phương pháp mô phỏng số dùng máy tính. 6. Giả thiết khoa học 8 - Đưa ra các biểu thức tường minh của cường độ laser và quang lực trong bẫy sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều. - Đưa ra một số hình ảnh mô phỏng phân bố cường độ laser cũng như quang lực tác động lên hạt và có những bình luận xác đáng về tính ổn định của bẫy quang học. 9 CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ CỦA BẪY QUANG HỌC 1.1. Khái niệm về quang lực Như chúng ta đã biết ánh sáng là các hạt photon, chuyển động trong chân không với vận tốc ánh sáng trong mọi hệ quy chiếu, có năng lượng nhất định và có xung lượng. Nếu photon đi từ môi trường có chiết suất khác với môi trường ban đầu thì nó sẽ bị phản xạ hoặc khúc xạ tại mặt phân cách, xung lượng của nó thay đổi về hướng và tuân theo định luật bảo toàn xung lượng. Sự thay đổi xung lượng của photon dẫn đễn hạt cũng thay đổi xung lượng và sinh ra một lực tác dụng lên bề mặt phân cách, đó là quang lực[12, 13]. Lực này được chia thành hai thành phần là lực Gradient và lực tán xạ. Lực Gradient tác dụng lên hạt hướng về vùng có cường độ cao nhất (đối với hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường), hoặc đẩy hạt ra khỏi chùm tia (đối với hạt có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của môi trường). Và lực tán xạ của một chùm tia đối xứng tác động theo hướng của chùm tia và đẩy hạt theo hướng đó. 1.2. Quang lực của hạt tác động lên hạt điện môi Chúng ta xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn hơn nhiều bước sóng của ánh sáng, chiết suất của hạt lớn hơn chiết suất của môi trường chứa hạt và ánh sáng coi là tập hợp các tia sáng thỏa mãn các định luật của quang hình học. 10 Áp dụng định luật bảo toàn động lượng khi quan sát sự tương tác giữa các photon với bề mặt phân cách giữa hai môi trường điện môi có hệ số khúc xạ khác nhau. Trong điều kiện cơ bản, các photon phản xạ hoặc khúc xạ tại bề mặt và vecto mômen động lượng thay đổi. Hạt sẽ tiếp nhận phần động lượng biến đổi này và bị kéo hoặc đẩy về hướng đối diện của phần mômen biến đổi của photon. Xét tia sáng tới bề mặt phân cách của hai môi trường điện môi (Hình 1.1). Một photon trong dòng của tia tới có động lượng: inininin rkkP ˆ     == (1.1) Ở đây: π 2/h= , với h là hằng số Plank. in k  và in k là vecto sóng và số sóng tương ứng. in r ˆ là vecto đơn vị dọc theo đường đi của tia sáng. Hình 1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách hai môi trường điện môi Như đã biết, số sóng được biểu diễn: 0 2 2 λ π λ π medium in n k == (1.2) jir in ˆ )cos( ˆ )sin( ˆ θθ −= (1.3) Trong đó: medium n là hệ số khúc xạ (chiết suất) của môi trường xung quanh. 0 λ là bước sóng trong chân không. Thay (1.2) và (1.3) vào (1.1) ta có động lượng của tia tới sẽ là: ( ) ( ) [ ] ji hn P medium in ˆ cos ˆ sin 0 θθ λ −=  (1.4) Phân tích tương tự, chúng ta có thể tìm được biểu thức động lượng của photon truyền qua tại bề mặt là: tttt rkkP ˆ     == (1.5) Tia truyền qua Tia tới Tia phản xạ . trong không gian hai chiều, mô phỏng số cường độ của tia laser trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều. Chương 3. Phân bố quang lực trong không. sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều, ứng dụng của bẫy quang học. Chương 2. Phân bố cường độ trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều nhau,