(Luận án) Phân bố lực trong không gian của kìm quang học kerr sử dụng chùm tia laser gauss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG VĂN NAM PHÂN BỐ LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA KÌM QUANG HỌC KERR SỬ DỤNG CHÙM TIA LASER GAUSS Chuyên ngành: Quang học Mã số : 62.44.01.09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội, 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Hồ Quang Qúy 2. TS Cao Thành Lê Phản biện 1: GS.TS Trần Công Phong Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Quốc Hùng Phản biện 3: TS Phạm Vũ Thịnh Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi… giờ… ngày… tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Thư viện quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về lực quang học, bẫy quang học và kìm quang học cả trong lý thuyết và thực nghiệm, kết quả và được đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực trong khoa học, đời sống 15, 20, 24, 29, 30, 32, 35, 44, 45, 62. Để bẫy vi cầu, các nhà khoa học đã dùng các chùm tia laser có phân bố dạng hàm Gaussian cho vi cầu có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường chất lưu 21 và chùm dạng hàm Hollow Gaussian cho vi cầu có chiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường chất lưu 20, 25, 38, 48, 43. Về lý thuyết, đã quan tâm đến quang lực tác động lên vi cầu khi có sự khác nhau về kích thước, hình dạng, thông qua các chế độ Mie, Rayleigh... Tuy nhiên, khi chùm laser hội tụ, cường độ tại tâm kìm và lân cận sẽ lớn, dẫn đến xuất hiện hiệu ứng Kerr. Khi đó, nếu vi cầu và môi trường chất lưu có hệ số chiết suất phi tuyến bậc ba cao, đặc biệt với chất lưu là các chất hữu cơ hay các vi cầu là những phân tử sống mà ta chưa hiểu rõ bản chất thì cần phải xem xét nghiên cứu thêm về hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy. Trong thực nghiệm, một số trường hợp vi cầu không ổn định trong quá trình bẫy và khó điều khiển. Có thể do xuất hiện hiệu ứng Kerr (như đã nói ở trên) khi ta bẫy vi cầu (nhạy với hiệu ứng Kerr) hoặc vi cầu trong môi trường chất lưu (nhạy với hiệu ứng Kerr). Vì khi đó, chiết suất vi cầu và chất lưu sẽ thay đổi, kéo theo thay đổi điều kiện bẫy, mà còn gây nên hiện tượng tự hội tụ của chù

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘ QUỐC PHỊNGVIỆNKHOA HỌCVÀ CƠNGNGHỆQNSỰ HỒNGVĂNNAM PHÂNBỐLỰC TRONGKHƠNGGIANCỦAKÌM QUANGHỌC KERRSỬDỤNGCHÙMTIALASERGAUSS Chuyên ngành: Quang họcMãsố:6 4 TĨMTẮTLUẬN ÁNTIẾNSĨVẬTLÝ HàNội, 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌCVÀCƠNGNGHỆ QNSỰ- BỘQUỐCPHỊNG Ngườihướngdẫnkhoahọc: PGS.TSHồQuangQúy TSCaoThànhLê Phản biện 1: GS.TS Trần Công PhongPhảnbiện2:PGS.TSĐỗQuốc HùngPhảnbiện3:TS PhạmVũThịnh Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện,họptạiViệnKhoahọcvàCơngnghệqnsựvàohồi…giờ…ngày…tháng năm2016 Cóthểtìmhiểuluậnántại: Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sựThưviệnquốc giaViệtNam MỞĐẦU Đếnn a y , đ ã c ó n h i ề u c ô n g t r ì n h n g h i ê n c ứ u v ề l ự c q u a n g h ọ c , bẫyquanghọcvàkìmquanghọccảtronglýthuyếtvàthựcnghiệm,kếtquả đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, đời sống[15],[ ] , [ ] , [29],[30],[32],[35],[44],[45],[62].Đểbẫyvicầu, nhà khoa học dùng chùm tia laser có phân bố dạng hàmGaussian chovicầu có chiếtsuấtlớn hơnchiếtsuấtmôitrườngchấtlưu [21] chùm dạng hàm Hollow - Gaussian cho vi cầu có chiết suất nhỏhơnchiếtsuấtmơitrường chất lưu[20],[25],[38],[48],[43] Vềlýthuyết,đãquantâmđếnquanglựctácđộnglênvicầukhicó khác kích thước, hình dạng, thơng qua chế độ Mie,Rayleigh Tuy nhiên, chùm laser hội tụ, cường độ tâm kìm vàlân cận lớn, dẫn đến xuất hiệu ứng Kerr Khi đó, vi cầu vàmơitrườngchấtlưucóhệsốchiếtsuấtphituyếnbậcbacao,đặcbiệ tvớichấtlưulàcácchấthữucơhaycácvicầulànhữngphântửsốngmàtachưahiểurõbảnchấtthìcầnphảixemxét nghiêncứuthêmvềhiệuứngKerrtrong qtrìnhbẫy Trong thực nghiệm, số trường hợp vi cầu khơng ổn định trongqtrìnhbẫyvàkhóđiềukhiển.CóthểdoxuấthiệnhiệuứngKerr(nhưđãnóiởtrên)khitabẫyvicầu(nhạyvới hiệu ứng Kerr) vi cầutrongmôit r n g c h ấ t l u ( n h y v i h i ệ u ứ n g K e r r ) V ì k h i đ ó , c h i ế t suất vi cầu chất lưu thay đổi, kéo theo thay đổi điều kiện bẫy, màcịngâynênhiệntượngtựhộitụcủachùmtiaGaussian,làmchùmti abịbiếndạngmộtlầnnữa.Cácthayđổiđóảnhhưởngđếnđộlớnvàsựphân bố quang lực không gian chất lưu, tức ảnh hưởng đến vùngbẫyvàvùng ổnđịnh bẫy Nhằm mục đích quan tâm vấn đề bỏ ngỏ, để bổsung cho lý thuyết thực nghiệm với có mặt hiệu ứng Kerrtrong q trình bẫy, giải thích số trường hợp không bẫy được,nhưng thay đổi cường độ chùm bẫy được, chúng tơi đềxuất đề tài luận án là:“Phân bố lực không gian kìm quanghọcKerrsửdụngchùmtia Gauss” * Mụcđích nghiêncứu: Nhằm tác động hiệu ứng Kerr trình bẫy vicầuphituyến(hoặcvicầunhúngtrongmơitrườngphituyến)vàđịnhhướng cho thực nghiệm, khảo sát phân bố chiều quang lực tácđộng lên vi cầu có chiết suất phi tuyến (hoặc tuyến tính) nhúng trongmơitrường tuyếntính (hoặcmơitrườngphituyến-mơitrường Kerr) * Phương phápnghiên cứu: Trên sở cấu hình kìm quang học Kerr, lý thuyết kìm quanghọc quang phi tuyến, dẫn biểu thức tường minh cho quang lựcdọc quang lực ngang Sử dụng phần mềm Maple, mô phân bốcủa cường độ chùm laser Gaussian, quang lực dọc, ngang khônggian hai chiều ba chiều Từ kết mô phỏng, phân tích vàbình luận điều kiện hoạt động kìm quang học ổn định củavi cầu * Nộidung nghiêncứu: Mô phân bố (hai chiều) quang lực tác động lên vi cầutuyến tính (hoặc phi tuyến) mặt phẳng mẫu phi tuyến (hoặc tuyếntính); Khảo sát ảnh hưởng tham số như: hệ số chiết suấtphi tuyến, cường độ đỉnh, bán kính mặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào,kíchthước vicầulênquanglực ngangvà phân bốcủanótrênm ặ t phẳngmẫu Mô phân bố (ba chiều) quang lực tác động lên vi cầutuyến tính khối mơi trường phi tuyến Khảo sát ảnh hưởng cáctham số như: Hệ số chiết suất phi tuyến, cường độ đỉnh, bán kínhmặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào, kích thước vi cầu lên quang lực(dọc ngang) phân bố khối chất lưu mơi trường phituyến * Ýnghĩa vềlýluận,thựctiễn củaluậnán: Các nghiên cứu trước chưa quan tâm tới hiệu ứng Kerr quátrìnhb ẫy Nộidung l u ậ n n bổ s u n g cholý t hu yế t t hự c nghiệ mvềbẫyq u a n g h ọ c v i s ự c ó m ặ t c ủ a h i ệ u ứ n g K e r r t r o n g q u t r ì n h b ẫ y , định hướng lựa chọn tham số thực nghiệm giải thích sốtrường hợp khơng bẫyđược Nộidung luậnánđượctrìnhbàytheo cấutrúcsau: Chương1 Kìmquanghọc:Cơngcụbẫy vàđiềukhiểnvihạt: Tổngq u a n v h ệ t h ố n g m ộ t s ố k ế t q u ả đ ã n g h i ê n c ứ u v ề k ì m quanghọc,rútranhững điểmcần quan tâmcho chươngsau Chương2.Phânbốlựctrongkìmquanghọctuyếntính: Trên sở mẫu kìm sử dụng chùm tia mơi trường tuyếntính( k h n g n h y v i h i ệ u ứ n g K e r r ) , m ô p h ỏ n g p h â n b ố q u a n g l ự c trongkhônggian 3chiều,khảosátảnhhưởngcủa mộtsốt h a m s ố quanghọc,đặc biệtlàtỉ sốchiếtsuấtlên quanglực Chương3.PhânbốlựctrongkìmquanghọcKerrhaichiều: Đềxuấtkìmquanghọcdùngmộtchùmtiadạngsóngphẳngbẫyvi cầu tuyến tính (phi tuyến) mặt phẳng chất lưu phi tuyến (tuyếntính), dẫn biểu thức tường minh quang lực tác động lên vi cầu có sựtham gia hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser, khảo sátảnhhưởngcácthamsốlên hoạtđộng kìmvàổnđịnhvi cầu Chương4.PhânbốlựctrongkìmquanghọcKerrbachiều: Đề xuất kìm quang học dùng chùm tia Gaussian bẫy vi cầutuyếntínhnhúng trongkhốichất lưu(chứa vicầu) cót í n h c h ấ t p h i tuyến (cho khối chất lưu mỏng có độ dày đáng kể) Trên sở cấuhình kìm dẫn biểu thức quang lực tác động lên vi cầu có sựtham gia đồng thời hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laservà hiệu ứng tự hội tụ Khảo sát bình luận ảnh hưởng tham số lênhoạtđộngcủa kìmvàtính ổnđịnhcủavi cầu Kếtl u ậ n : N ê u t ó m tắ t c c nội d u n g đ ã th ự c h i ệ n v m ộ t s ố k ế t quảchính, mớicủa luận án Chương1 KÌM QUANGHỌC:CÔNGCỤBẪYVÀĐIỀU KHIỂNVICẦU 1.1 Quanglực Quang lực áp lực tác động xạ vùng quang học lênvật[10],[11],dùngđểmôtảáplựccủachùmlasertácđộnglênvicầuđiện môi Khi chùm laser hội tụ lên vi cầu điện mơi có nhiềudạngq u a n g l ự c k h c n h a u t c đ ộ n g l ê n n ó n h : Q u a n g l ự c t n x , quanglựcgradient,quang lựctrong chế độMie,Rayleigh 1.2 Nguyênlýhoạtđộng a Phânbố quanglựcgradientnganggâyrabởichùm laser TEM00 Một chùmlasersóngphẳngvớic n g độ   I()I 0exp 2  0 (1.16) sẽtácđộnglên vicầumộtlựcngang →  2I → Fgrd, (r) ˆ 0exp 20   20 (1.17)  đó,làhệsốphâncực b Phânb ố q u a n g l ự c d ọ c g â y r a b i c h ù m l a s e r T E M 00d n g s ó n g Gaussianlênvicầuđiện mơi Mộtchùmlasercócường độ khơnggian bachiều [18]: I(,z)I  W 0  exp  2  W(z) W (z)     (1.18) Sẽtácđộng lên vicầu nằmtrongtrục chùmtiamột lực dọc → 2I0 Fgrd,z( z)z ˆ z  (1.20) 2 z 1   z 0 (a) Hình 1.5Mơ tả chùmlaserGaussian Hình 1.7Phân bố quang lực dọc: a) Trên trụcchùmtia;b)Cáchtrục mộtkhoảng=2W0 (b) * Khi m>1, phân bố có dạng đối ngẫu qua tâm (tại điểm z=0), vicầu ln bị kéo vào tâm (hình 1.7a) Khi vi cầu nằm điểm cáchtrục chùm tia khoảngcũng bị kéo vào điểm (,0) với mộtquanglựcnhỏ hơn(hình1.7b) * Khi m