Luận văn điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều bằng kìm quang âm

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Năm 1970, Ashkin ( Nobel 2018 )[1] khẳng định chùm laser hội tụ mạnh giữ vi hạt tiêu điểm nhờ quang lực - áp lực photon ánh sáng tác động lên bề mặt vi hạt Một thiết bị gồm laser kính hiển vi sử dụng để giữ vi hạt tiêu điểm chùm laser gọi bẫy quang học Nếu bẫy quang học thiết kế với hệ điện-cơ cho thay đổi vị trí tiêu điểm chùm tia laser khơng gian gọi kìm quang học Cho đến kìm quang học trở thành công cụ hiệu dụng giữ điều khiển vi hạt vi cầu điện môi, nguyên tử, tế bào sống, [1,2] Xét tổng quát, vi hạt giữ vị trí mặt phẳng mẫu sau điều khiển để dịch chuyển mặt phẳng mẫu phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu, tức vị trí vi hạt điều khiển khơng gian hai chiều (2D) [3,4], nhiều trường hợp vi hạt cần phải điều khiển không gian ba chiều (3D) [5,6] Ví dụ, tế bào cần phải bảo vệ dung mơi có độ dày định, khơng thể điều khiển chúng đơn không gian 2D (mặt phẳng mẫu) mà phải điều khiển khơng gian 3D (trong chất lưu có độ dày định) Khi sử dụng kìm đơn chùm (chỉ sử dụng chùm laser), vi hạt điều khiển phương pháp điện-cơ nhờ thay đổi hệ quang cách tinh tế [5,6], đó, sử dụng kìm quang học phi tuyến điều khiển nhờ thay đổi tinh tế cường độ đồng thời hai chùm laser [7] Tất phương pháp phải thay đổi hai yếu tố trình điều khiển vi hạt không gian 3D Mới đây, tác giả Hồ Quang Quý Nguyễn Văn Thịnh [8,9] đề xuất nghiên cứu thành cơng mảng kìm quang học quang-âm Các tác giả sử dụng môi trường quang-âm biến điệu ngang nguồn sóng âm, tạo mảng vi thấu kính vi thấu kính hội tụ chùm laser thành mạng tiêu điểm khác Mỗi vi thấu kính xem kìm quang học đơn điều khiển không gian 2D cách thay đổi pha ban đầu tần số sóng âm Tiêu cự vi thấu kính thay đổi thay đổi cường độ tần số sóng âm Ngồi ra, cơng trình mình, tác giả ra, có liên hệ tần số, cường độ sóng âm tiêu cự vi thấu kính Sự liên hệ gợi cho ý tưởng điều khiển vi hạt không gian 3D 1một yếu tố tần số cường độ sóng âm Nội dung đề xuất thực hóa ý tưởng trình bày luận văn có tựa đề: “Điều khiển vi hạt khơng gian ba chiều kìm quang-âm.” Mục đích nghiên cứu Khẳng định sử dụng kìm quang-âm điều khiển vi hạt khơng gian cách thay đổi tinh tế tham số sóng âm Nội dung nghiên cứu Tổng quan kìm quang học phương pháp điều khiển vi hạt, tập trung nghiên cứu cấu hình, lý thuyết kìm quang-âm phương pháp điều khiển vi hạt kìm quang-âm, cụ thể thay đổi pha ban đầu tần số sóng âm Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận văn cấu trúc ba chương sau: Chương 1: Tổng quan kìm quang học phương pháp điều khiển liên quan Chương 2: Cấu hình kìm quang học quang-âm đặc trưng Chương 3: Phương pháp điều khiển vi hạt khơng gian Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Quang lực Năm 1970, công trình lý thuyết mình, A Ashkin lần khẳng định sử dụng áp suất xạ vùng ánh sáng để tăng tốc giam giữ hạt [1] Xét vùng quang học, phôtôn có xung lượng:

p = ℏk (1.1) đó, ℏ = h / 2π ≈ 1.05475 × 10−34 J s / rad số Planck, k véc tơ sóng với
số sóng k = 2π / λ Giả sử chùm ánh sáng đơn sắc tuyệt đối gồm nhiều
phơ tơn có xung lượng chiếu vào vi cầu, đó, số phản xạ mặt, số cịn lại khúc xạ hai lần mơi trường ngồi vi cầu (Hình 1.1) a b Hình 1.1 Xung lượng lực phản xạ (a) khúc xạ (b) ánh sáng chiếu vào vi hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường (nh>nm) a b c Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí hạt tương tiêu điểm Qua trình đó, xung lượng phơ tơn bị thay đổi, lượng thay đổi truyền cho vi hạt [1]: (1.2)



∆p = pin − pout = Ph Sau nhận xung lượng từ phô tôn, vi hạt có xung lượng Ph Như
vậy, vi hạt nhận xung lượng từ hai trình Theo định luật Newton, vi hạt nhận xung lượng thời gian ∆t chịu quang lực F = P / ∆t đó, vi hạt Hình 1.1 bị tác

động hai lực, tán xạ (phản xạ vật có kích thước nhỏ bước sóng laser) khúc xạ xác định sau:


px Phpx
kx Phkx F = ,F = ∆t ∆t (1.3) Kết vi cầu chuyển động theo hướng lực tổng hợp Nếu vi hạt chiếu laser hội tụ, hướng lực khúc xạ tác động lên vi hạt thay đổi phụ thuộc vào vị trí tâm hạt tương ứng với tiêu điểm Hình 1.2

N ∆P F∼ ∆t (1.4) đó, N số photon tác động lên vi hạt Trong ba trường hợp, lực tổng hợp FT = Fa + Fb có hướng từ tâm hạt tới tiêu điểm Điều có nghĩa vi


hạt luôn bị kéo vào tiêu điểm chùm laser, tiêu điểm nằm không gian chiếm giữ vi hạt Trong trường hợp tiêu điểm không nằm không gian chiếm giữ vi hạt, vi hạt bị chiếu chùm laser quang lực tác động lên nó, hướng lực tổng động phụ thuộc vào cường độ lực thành phần Hướng cường độ laser lớn, tức mật độ phô tôn lớn, quang lực tác động lên vi hạt lớn Tổng hợp lực chùm tia có phân bố gradient cường độ gọi lực gradient (Hình 1.3) Hình 1.3 Lực gradient chùm Gauss Dựa vào hướng tương tác lực tác động lên vi hạt tia laser thành phần chùm laser trình bày trên, khẳng định chùm laser hội tụ mạnh giam giữ vi hạt tiêu điểm Hay nói cách khác, chùm tia có cường độ phân bố không gian theo hàm Gauss, hay gọi chùm Gauss bẫy vi hạt có tỉ số chiết suất m = nh / nm > so với chiết suất môi trường xung quanh tâm thắt chùm, trường hợp ngược lại, chùm laser hollow-Gauss giữ vi hạt có tỉ số chiết suất m = nh / nm < tâm (Hình 1.4) [10] Như vậy, chùm laser có gradient cường độ khơng gian tác động lên vi hạt hai lực, lực tán xạ hình thành tượng tán xạ tia sáng mặt vi hạt (trong trường hợp kích đường kính vi hạt lớn bước sóng laser gọi lực phản xạ) đẩy vi hạt chuyển động theo chiều truyền lan laser lực gradient hình thành biến đổi cường độ ánh sáng không gian kéo vi hạt vào vùng có cường độ cao [10] Độ lớn lực phụ thuộc vào cấu hình chùm tia, thơng số vi hạt mơi trường Dựa vào tương quan bước sóng laser (λ) bán kính vi hạt (a), quang lực xét chế độ khác Quang lực xét chế độ quang hình a > λ , Mie a ∼ λ hay Rayleigh a < λ với sai số khác Trong chế độ Rayleigh, lực gradient dọc Fgrad , z ngang Fgrad , ρ tác động lên vi hạt xác định sau [1]: (1.5) Fgrad , z = σ∇ z I ; Fgrad , ρ = σ∇ ρ I đó, I cường độ laser, σ = 4π nm2 ε a3 m2 − hệ số phân cực vi cầu, z m2 + tọa độ dọc trục chùm tia laser, ρ tọa độ hướng tâm mặt cắt ngang chùm tia laser a b Hình 1.4 a: Chùm Gauss bẫy hạt với m>1; b: Chùm hollowGauss bẫy hạt với m1) Một chùm laser mode TEM00 hội tụ mạnh vi thấu kính có độ số (NA) cao Khẩu độ số cao gradient cường độ lớn cường độ mạnh tập trung tiêu điểm lực gradient lớn Việc chọn độ số cao tương thích với tiêu cự vi thấu kính cho tiêu điểm nằm mơi trường chất lưu, có chứa vi hạt cần bẫy Trong thực nghiệm nghiên cứu y, sinh học, thơng thường chất lưu lớp mỏng, có độ dày tương đương đường kính vi hạt Từ cơng thức (1.5) (1.6), thấy lực tán xạ nhỏ nhiều so với lực gradient, vi hạt ln có xu kéo vào tâm thắt chùm, hay kéo vào tâm bẫy Do lực gradient đối xứng tâm, qua tâm kìm, nên vi hạt bị giam tâm Hình 1.5 Cấu hình tối thiểu bẫy quang học Tuy nhiên, nhiều trường hợp, lực gradient nhỏ chùm tia hội tụ yếu sử dụng vi thấu kính có độ số thấp (NA nhỏ), vi hạt bị đẩy theo chiều truyền lan chùm laser bị giam vị trí mà lực gradient dọc cân với lực tán xạ Trong thực tế, để loại trừ tượng này, cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm tia truyền lan ngược chiều áp dụng [11] Để ứng dụng nghiên cứu, mẫu tối thiểu Hình 1.5 bổ sung thêm chi tiết phụ: Thiết bị dò vi hạt ban đầu; Hệ mở rộng chùm tia, tăng độ số; Camera theo dõi trình dao động vi hạt tâm kìm; Nguồn ánh sáng phụ (LED) soi vi hạt kích thích huỳnh quang vi hạt Cấu hình đầy đủ kìm quang học thực nghiệm thiết kế Hình 1.6 Hình 1.6 Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học sử dụng chùm laser thực nghiệm 1.3 Kìm quang học (KQH) 1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder Với cấu Hình 1.6, thấy bẫy quang học có chức giam giữ vi hạt tâm bẫy, phục vụ cho mục đích khảo sát tĩnh đối tượng cần nghiên cứu Trong trường hợp khảo sát động, cần di chuyển vi hạt đến vị trí khác khơng gian chất lưu cấu Hình 1.6 khơng thể sử dụng, cấu hình linh động thiết kế khái niệm kìm quang học đời Đến có số mẫu kìm quang học khác đặt tên dựa vào phương pháp điều khiển vết hội tụ chùm laser Kìm quang học điều khiển chiều (1D) sử dụng hiệu ứng giao thoa McDonald cộng đề xuất vào năm 2011 Chùm tia laser TEM00 trước đưa vào hệ vi thấu kính chia thành hai chùm nhờ chia kiểu giao thoa kế Mach-Zehnder (Hình 1.7) Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý IOT G-gương phản xạ 100%, L1, L2, L3 - thấu kính, BC - chia tia, GQ - gương lái tia,MZI-giao thoa kế Mach-Zehnder, GD-gương tinh chỉnh hiệu quang trình, VTK vi thấu kính, BM- buồng chứa mẫu Hai chùm tia giao thoa với tiêu diện hệ vi thấu kính (VTK), tạo vệt tối sáng xen kẽ buồng mẫu (BM) Các vi hạt ứng với m>1nằm tiêu diện giam vị trí có cường độ mạnh vệt sáng, vi hạt ứng với m