Khảo Sát Sự Ổn Định Của Vi Hạt Điện Môi Trong Bẫy Quang Học.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC NGUYỄN VĂN QUANG KHẢO SÁT SỰ ỔN ĐỊNH CỦA VI HẠT ĐIỆN MÔI TRONG BẪY QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THANH HÓA, NĂM 2022 i BỘ GIÁO DỤ[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC NGUYỄN VĂN QUANG KHẢO SÁT SỰ ỔN ĐỊNH CỦA VI HẠT ĐIỆN MÔI TRONG BẪY QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THANH HÓA, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC NGUYỄN VĂN QUANG KHẢO SÁT SỰ ỔN ĐỊNH CỦA VI HẠT ĐIỆN MÔI TRONG BẪY QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 8440103 Người hướng dẫn khoa học: Người hướng dẫn khoa học 1: TS Bùi Xuân Kiên Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Trần Thị Hải THANH HÓA, NĂM 2022 Danh sách Hội đồng chấm luận văn Thạc sỹ khoa học i (Theo Quyết định số:1476/QĐ-ĐHHĐ ngày 04 tháng 07 năm 2022 Hiệu trưởng Trường Đại học Hồng Đức) Học hàm, học vị Chức danh Cơ quan Công tác Họ tên Hội đồng PGS.TS Lê Thị Giang Trường ĐH Hồng Đức Chủ tịch HĐ PGS.TS Hồ Khắc Hiếu Trường ĐH Duy Tân TS Nguyễn Thị Thảo Trường ĐH Hồng Đức UV Phản biện TS Luyện Thị San Trường ĐHBK Hà Nội Uỷ viên PGS.TS Mai Thị Lan Trường ĐHBK Hà Nội Thư ký UV Phản biện Xác nhận Người hướng dẫn Học viên chỉnh sửa theo ý kiến Hội đồng Ngày 08 tháng năm 2022 NGƯỜI HƯỚNG DẪN NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS TS Trần Thị Hải TS Bùi Xuân Kiên LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan rằng nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Bùi Xuân Kiên PGS TS Trần Thị Hải Các số liệu, kết hình ảnh mơ phỏng luận văn hồn tồn trung thực chưa được công bố luận văn các công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Văn Quang i LỜI CẢM ƠN Bản luận văn được thực hoàn thành khoa Khoa học Tự nhiên - Trường ĐH Hồng Đức, Thanh Hóa hướng dẫn tận tình, chu đáo thầy giáo TS Bùi Xuân Kiên cô giáo PGS.TS Trần Thị Hải Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy, cô giáo đã hướng dẫn chỉ bảo suốt thời gian nghiên cứu vừa qua Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô giáo khoa Khoa học Tự nhiên, khoa đào tạo Sau Đại học, các cán tham gia giảng dạy lớp cao học các bạn học viên đó tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tác giả cảm ơn động viên, quan tâm chăm sóc gia đình suốt quá trình học tập nghiên cứu đã qua Trong quá trình thực làm luận văn, đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để hoàn thành mục tiêu đề luận văn Do thời gian trình độ chuyên môn còn hạn chế, nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận được góp ý chân thành các thầy giáo, cô giáo các độc giả để luận văn được hoàn thiện được bổ sung quá trình nghiên cứu tiếp các nội dung liên quan đến vấn đề Thanh Hóa, tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Văn Quang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN - LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Dự kiến kết đạt được Cấu trúc nội dung luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ BẪY QUANG HỌC VÀ NHÍP QUANG HỌC 1.1 Quang lực 1.1.1 Khái niệm quang lực 1.1.2 Quang lực tác động lên hạt điện môi 1.2 Mô hình hoạt động bẫy quang học 14 1.3 Các loại nhíp quang học 15 1.3.1 Nhíp quang học sử dụng chùm Gauss [16] 15 1.3.2 Nhíp quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều 15 1.4 Ứng dụng nhíp quang học 16 Kết luận chương 19 Chương ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT TRONG BẪY QUANG HỌC 20 2.1 Mô hình bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều 20 2.2 Phương trình động học Langevin cho vi hạt điện môi[8] 21 2.2.1 Môi trường chứa hạt mẫu 21 2.2.2 Các lực tác động lên hạt mẫu 21 2.2.3 Quá trình động học hạt chất lưu Phương trình Langevin 22 2.3 Biểu thức cường độ tổng hai chùm xung ngược chiều[17],[18] 26 Kết luận chương 30 Chương KHẢO SÁT SỰ ỔN ĐỊNH CỦA VI HẠT TRONG BẪY QUANG HỌC 31 3.1 Lời giải số cho phương trình Langevin 31 3.2 Khảo sát ổn định vi hạt bẫy 32 3.2.1 Ảnh hưởng vị trí – thời gian bẫy 32 3.2.2 Ảnh hưởng công suất xung 35 3.2.3 Ảnh hưởng mặt thắt chùm tia 38 Kết luận chương 43 KẾT LUẬN CHUNG 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC HÌNH VẼ STT Hình Hình 1.1 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng mặt phân cách hai Trang mơi trường điện mơi Hình 1.2 Tia sáng ngang qua hạt điện môi hình cầu Hình 1.3 Tia sáng khúc xạ giao diện hạt điện mơi 10 Hình 1.4 Sự phản xạ ánh sáng bề mặt hạt điện mơi 10 Hình 1.5 Lực tác dụng lên vi hạt điện mơi có kích thước nhỏ 11 Hình 1.6 Lực Gradient tác dụng lên vi hạt điện môi hình cầu 13 chế độ Rayleigh Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo nhíp quang học sử dụng chùm Gauss 15 Hình 1.8 Mơ hình nhíp quang học sử dụng hai chùm Gauss 16 ngược chiều Hình 2.1 Sơ đồ cấu hình quang hai chùm tia Gauss ngược 20 chiều theo z 10 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả rơi tự hạt điện mơi chất 22 lưu tĩnh 11 Hình 2.3 Chuyển động Brown 23 12 Hình 2.4 Các phân tử chất lưu va vào hạt lơ lửng 24 13 Hình 3.1 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào vị trí ban đầu nó: 33 Hình (a) ρ0 = μm; (b) ρ0= - μm; (c) ρ0=1 μm; (d) ρ0 = -1 μm 14 Hình 3.2 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào vị trí ban đầu nó: 34 Hình (a) ρ0=1 μm; (b) ρ0=2 μm); (c) ρ0= μm; (d) ρ0= μm 15 Hình 3.3 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào lượng xung 37 V= 10-8(J)(a); 10-7(J)(b); 10-7 (J)(c); 10-7 (J)(d); 10-7 (J)(e) 16 Hình 3.4 Thời gian ổn định vi hạt phụ thuộc vào lượng 37 xung 17 Hình 3.5 Động học vi hạt bẫy ứng với giá trị mặt 39 thắt: W0=1 μm (a); W0=2 μm (b); W0=3 μm (c); W0=4 μm (d) 18 Hình 3.6 Sơ đồ mô tả phụ thuộc khoảng thời gian ổn định vào W0 40 19 Hình 3.7 Sơ đồ mơ tả phụ thuộc độ rộng ổn định vào W0 41 20 Hình 3.8 Trụ cột khơng-thời gian “ổn định” nhíp quang học 41 21 Hình 3.9 Sự phụ thuộc vị trí hạt thời gian ổn định theo 42 lượng 22 Hình 3.10 Sự phụ thuộc vị trí hạt thời gian ổn định theo bán kính mặt thắt 42 theo chiều trục Ở đây, khảo sát bằng quá trình mơ phỏng vị trí ban đầu vi hạt đến quá trình động học để đưa định hướng cụ thể cho thực nghiệm Sử dụng tham số đầu vào để khảo sát sau: Năng lượng xung V = 10-7 J, nửa độ rộng xung τ =1 ps, bán kính vi hạt a = 20 nm, bước sóng chùm laser λ = 1,064 μm, bán kính mặt thắt W0 = μm, thời gian xung t = (0 6) ps Chúng ta được kết sau: a c b d Hình 3.1 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào vị trí ban đầu nó: Hình (a) ρ0 = μm; hình (b) ρ0 = -2 μm; hình (c) ρ0 = μm; hình (d) ρ0 = -1 μm Với các vị trí ban đầu khác vi hạt bẫy quang học trình động học vi hạt được mô phỏng trình bày hình vẽ 3.1 Từ kết cho thấy rằng, khoảng thời gian từ t = ps đến lân cận t = ps các vi hạt chuyển động tác dụng lực Brown nên quỹ đạo chuyển động hạt cách ngẫu nhiên không giống Sau cường độ xung tăng khoảng thời gian từ lân cận t = ps đến t = 1,5 ps lúc lực Gradien tăng lên đột ngột lớn lực Brown, chúng kéo vi hạt phía ngồi vào tâm bẫy Chính lí nên sau khoảng thời gian quỹ đạo các vi hạt đã vào tâm bẫy Chúng được giữ ổn định tâm bẫy a b c d Hình 3.2 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào vị trí ban đầu nó: Hình (a) ρ0 = μm; hình (b) ρ0 = μm; hình (c) ρ0 = μm; hình (d) ρ0 = μm Sau khảo sát với các vị trí ban đầu vi hạt khác nhau, rút nhận xét rằng động học vi hạt tất các trường hợp khác khoảng thời gian đầu lúc mà cường độ xung còn nhỏ Khi cường độ xung lớn lên thì quá trình động học xảy Tuy nhiên, thay đổi tham số lượng xung, độ rộng xung cũng kích thước hạt quá trình động học xảy không còn quy luật thấy rằng biến đổi dạng đồ thị xung Để thấy rõ điều này, khảo sát cho lượng xung vào có giá trị V = 0,5.10-7 J, nhỏ trường hợp đã khảo sát Lúc trình động học vi hạt được khảo sát mô phỏng tương ứng các vị trí ban đầu khác được biểu diễn hình vẽ 3.2 Quan sát kỹ, ta nhận thấy các vi hạt xa tâm thì thời gian để ổn định vi hạt dài Kết cũng cho thấy rằng lượng xung vào ảnh hưởng tới quá trình động học vi hạt, tham số quang để khảo sát ổn định khảo sát mục sau 3.2.2 Ảnh hưởng công suất xung Độ lớn quang lực phụ thuộc vào lượng đầu vào các chùm tia laser Do vậy, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình động học vi hạt Để làm rõ được điều này, khảo sát quá trình động học vi hạt có vị trí ban đầu được xác định cách tâm bẫy khoảng bằng hai lần bán kính thắt chùm tia 𝜌0 = µm Thay đổi cơng suất bơm laser sử dụng các kính lọc trung tính với hệ số suy giảm khác nhau, có thể thay đổi lượng chùm tia có giá trị từ 10-8 J đến 9.10-7 J Với các tham số khác giữ nguyên đã khảo sát thì hình vẽ 3.3 biểu diễn thay đổi vị trí vi hạt so với tâm bẫy Trong hình 3.3, kết cho thấy rằng lúc lượng xung laser vào nhỏ giá trị 10-8 J hạt không thể chuyển động tâm bẫy hình 3.3.a Lí được giải thích rằng lúc lực Brown có tác dụng chính, chi phối chuyển động vi hạt Đến thời điểm lực gradient cường độ đủ lớn thắng lực Brown, đã đưa hạt vào gần tâm bẫy Sau đó, vi hạt chỉ có thể dao động quanh vị trí mà khơng đủ lượng để đưa hạt vào tâm bẫy Khi lượng chùm tia tăng lên đến V = 10-7 J, lúc quang lực đủ lớn thắng được lực Brown nên chúng đã đẩy hạt tâm bẫy trình bày hình vẽ 3.3.b Đặc biệt điều dễ nhận thấy lượng chùm tia lớn trình chuyển động hạt tâm bẫy diễn nhanh Chẳng hạn, sau ps với V= 2.10-7 J (hình vẽ 3.3.c) đã giảm xuống còn ps với V = 9.10-7 J (hình vẽ 3.3.f) Khi lượng xung laser có giá trị lớn thì vi hạt điện môi được đưa tâm bẫy nhanh, nên nó tạo khoảng thời gian ổn định lâu dài Vì để đưa hạt có kích thước a = 20 nm dao động tâm bẫy thì cần phải dùng loại laser có lượng V  10-7 J Khi laser có lượng V > 5.10-7 J tạo ổn định vi hạt khoảng thời gian độ rộng xung hình 3.3.e, f a b c d e f Hình 3.3 Sự ổn định vi hạt phụ thuộc vào lượng xung: -8 V= 10 (J)(a); 10-7(J)(b); 2.10-7 (J)(c); 3.10-7 (J)(d); 5.10-7 (J)(e); 9.10-7(J)(f) Như vậy, qua việc khảo sát với các giá trị ban đầu vi hạt khác Chúng ta có thể thấy rằng ban đầu lúc vi hạt nằm xa tâm bẫy thì cần sử dụng chùm laser có lượng lớn đủ để thắng lực Brown đưa vi hạt tâm bẫy Trong trường hợp cụ thể, khảo sát với vi hạt nhúng chất lưu có độ nhớt  = 7,797.10-4 Pa.s có bán kính a = 20 nm, nhiệt độ phòng T = 250 C có chiết suất tỉ đối m = n1/n2 = 1,592/1,33, nằm vị trí ban đầu cách tâm chùm 𝜌0 = m cần sử dụng chùm laser có bán kính thắt chùm W0 = m lượng V > 10-7 J có thể đưa vi hạt tâm bẫy Hình 3.4 Thời gian ổn định vi hạt phụ thuộc vào lượng xung Qua khảo sát này, lần để khẳng định rằng lượng chùm laser ảnh hưởng lớn đến động học vi hạt Tuy nhiên, theo biểu thức (2.18), (2.19) (2.20) đã trình bày chương 2, cường độ tổng chỉ phụ thuộc tuyến tính vào lượng tổng Đối với bán kính mặt thắt thì nó phụ thuộc phi tuyến vào bán kính thắt chùm vì W có mặt biểu thức tính cơng suất P hàm phân bố khơng gian dạng hàm mũ Do đó, bán kính chùm thắt có ảnh hưởng mạnh lên động học vi hạt bẫy 3.2.3 Ảnh hưởng mặt thắt chùm tia Trong mục 3.2.2 đã khảo sát ảnh hưởng quá trình động học vi hạt vào lượng xung đến Tuy nhiên, biết ngồi lượng xung đến, bán kính mặt thắt chùm tia cũng định đến giá trị gradient cường độ theo không gian Do vậy, quá trình động học vi hạt bẫy quang chắn chịu ảnh hưởng nó Chúng ta khảo sát với trường hợp ban đầu vi hạt nằm cách tâm bẫy khoảng 𝜌0 = 2m với lượng chùm laser chiếu vào được giữ cố định V = 9.10-7 J (có giá trị lớn nhất) Để thay đổi bán kính mặt thắt chùm tia, thay đổi độ số NA hệ vật kính cho bán kính thắt chùm mở rộng từ 10-7 m lên đến 4.10-6 m Lúc động học vi hạt được mô phỏng hình vẽ 3.5 Với các tham số bán kính hạt, chiết suất tỉ đối nhiệt độ giữ nguyên giá trị Từ kết mô phỏng thấy rằng: quá trình động học vi hạt có thay đổi thay đổi bán kính mặt thắt chùm tia Cụ thể, bán kính mặt thắt chùm tia tăng lên, thời gian kéo vi hạt vị trí tâm bẫy chậm (từ sau ps với W0 = m tăng lên ps với W0 = m) ổn định tâm bẫy có khoảng thời gian ngắn a b c d Hình 3.5 Động học vi hạt bẫy ứng với giá trị mặt thắt: Hình (a) W0 = μm; Hình (b) W0 = μm; Hình (c) W0 = μm; Hình (d) W0=4 μm Nguyên nhân có thể lý giải bán kính thắt chùm tia tăng lên lực Gradien giảm Mặt khác đó, lượng tổng khơng đổi cường độ đỉnh giảm Khi cường độ đỉnh giảm dẫn đến giảm gradient cường độ kéo theo quang lực gradient giảm nhanh vi hạt khó bị kéo vị trí tâm bẫy, lúc lực Brown lớn lực gradien kéo tâm bẫy Đối với trường hợp bán kính thắt chùm W0  m với tham số đã cho: Năng lượng V = 9.10-7 J, nửa độ rộng xung τ =1 ps, vị trí ban đầu hạt ρ0 = m, bước sóng xung tới λ =1,064 m, bán kính a = 20 nm nhúng môi trường  = 7,797.10-4 Pa.s, nhiệt độ phòng T = 250C, tỉ số chiết suất m = n1/n2 = 1,592/1,33, lúc động học vi hạt xảy giống trường hợp sử dụng nguồn laser có lượng thấp (V