(Luận án) Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

BỘGIÁODỤC VÀĐÀOTẠO BỘ QUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNG NGHỆQNSỰ ĐOÀNQUỐCTUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾNSỬDỤNGMÀNGMỎNGMÀUHỮU CƠỨNGDỤNGĐIỀUKHIỂN CÁCVI HẠT LUẬNÁNTIẾNSĨ VẬT LÝ HÀNỘI-2022 BỘGIÁODỤC VÀĐÀOTẠO BỘQUỐC PHỊNG VIỆNKHOAHỌC VÀCƠNG NGHỆQNSỰ ĐOÀNQUỐCTUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾNSỬDỤNGMÀNGMỎNGMÀUHỮU CƠỨNGDỤNGĐIỀUKHIỂN CÁCVI HẠT Ngành: Mãsố : Quanghọc 9.44.01.10 LUẬNÁNTIẾNSĨ VẬT LÝ NGƢỜIHƢỚNGDẪNKHOAHỌC: 1.TS.Nguyễn ThuCầm PGS.TS.HồQuangQuý HÀNỘI-2022 LỜI CAMĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các sốliệu, kết trình bày luận ánlà hồn tồn trung thực chưat n g công bố cơng trình khác, liệu tham khảođượctríchdẫnđầyđủ Ngƣờicamđoan Đồn Quốc Tuấn LỜICẢMƠN Luận án thực hoàn thành Viện Vật lý kỹ thuậtViệnK h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ Q u â n s ự d i s ự h n g d ẫ n k h o a h ọ c c ủ a TS Nguyễn Thu Cầm PGS.TS Hồ Quang Quý Tác giả xin bày tỏlòng biết ơn chân thành sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn, người đãđịnh hướng khoa học, bảotận tình động viênnghiên cứu sinht r o n g suốt q trìnhhọctập,nghiêncứu đểhồnthành luậnán.` NghiêncứusinhgửilờicảmơnchânthànhtớiBanGiámđốcViệnKhoahọc Công nghệQuânsự,ThủtrưởngCụcTiêuchuẩnĐolườngChấtlượng/Bộ Tổng Tham mưu, Thủ trưởng cán bộ-nhân viên Phòng Đào tạo,Thủ trưởng Viện Vật lý Kỹ thuật tạo điều kiện giúp đỡ suốt trìnhhọctậpvànghiêncứu.Nghiêncứusinhxinchânthànhcảmơncácgiảngviên,các nhà khoa học Viện Vật lý kỹ thuật, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệQnsựvàcácđồngnghiệpđãđónggópnhữngýkiếnkhoahọcbổíchchonộidungcủaluận áncũngnhưđãtạođiềukiệnvàgiúpđỡtácgiảtrongsuốtthờigianhọctậpvànghiêncứu Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, đồng nghiệp vàđặcb i ệ t c ả m n n h ữ n g n g i t h â n t r o n g g i a đ ì n h đ ã q u a n t â m , đ ộ n g v i ê n , giúpđỡtrong suốtquátrình họctập,nghiên cứuvàthựchiện luậnán Xin trântrọng cảmơn! Tác giả luận ánĐoànQuốcTuấ n MỤCLỤC Trang DANHMỤC CÁCKÝHIỆU,CÁCCHỮ VIẾTTẮT .vi DANHMỤC CÁCHÌNHVẼ x DANHMỤC CÁC BẢNGBIỂU xiii MỞĐẦU 1 Tínhcấpthiếtcủađềtàiluậnán Mụctiêucủaluậnán Đốitượngvàphạmvinghiêncứu Nộidungnghiêncứu Phươngphápnghiêncứu Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn Bốcụccủaluậnán Chương1 KÌMQUANG HỌC ỨNGDỤNGĐIỀU KHIỂNVIHẠT 1.1 Tổng quanvềpháttriển kìmquanghọc 1.2 Quanglựctácđộnglênvihạt 10 1.3 Bẫyquanghọc 14 1.4 Mộtsốkìmquanghọcsửdụngđiềukhiểnvihạt 17 1.4.1 Kìmquanghọcgiaothoa 17 1.4.2 Kìmquanghọclệchtia quang-âm 18 1.4.3 Kìmquéttia laser haichiều 18 1.4.4 Mảngkìmthơngminh 20 1.4.5 Kìmquanghọcđiềukhiển vihạtbằngbàngốmáp điện 21 1.5 Kìmquanghọcphituyến 23 1.6 Kếtluậnchương1 .31 Chương2 32 KÌMQUANG HỌC PHI TUYẾNSỬDỤNGMÀNG .32 CHẤTMÀUHỮUCƠ 32 2.1 Cácchấtmàuhữucơphituyếncao 32 2.2 Đềxuấtmẫukìmquanghọcphituyến .33 2.3 Nguyênlýhoạtđộng 34 2.4 Tiêucựcủathấukínhphituyến 35 2.5 Táiphânbốcườngđộtrongkhônggianpha(,z)củachùmlaserGauss 39 2.6 Quanglựcdọctácđộnglênvihạtđiệnmôi .41 2.7 Kếtluậnchương2 .46 Chương3 48 HIỆUSUẤTBẪYCỦAKÌM QUANGHỌCPHITUYẾN .48 SỬDỤNGMÀNGCHẤTMÀU HỮUCƠ 48 3.1 Hiệusuấtbẫyquang 48 3.2 OTEc ủ a NOTW .49 3.3 KhảosátsốảnhhưởngcủacơngsuấtlasertrungbìnhlênOTE 51 3.3.1 OTEdọc .51 3.3.2 .OTEn ga ng 3.4 Kếtluậnchương3 .61 Chương4 62 ĐIỀUKHIỂNTOÀNQUANGVIHẠTTRONGKHÔNGGIAN .62 4.1 Động học vihạttựdo 62 4.1.1 Mẫu NOTWchovihạttựdo 62 4.1.2 HệphươngtrìnhLangevin .64 4.1.3 Quỹđạocủa vihạttrongvùngbẫy 65 4.2 KéocăngphântửADN 69 4.2.1 Mẫu NOTWkéocăngphântửADN 69 4.2.2 HệphươngtrìnhLangevin tổngquát 70 4.2.3 Độnghọc củavihạtgắnvớiphântửADN 71 4.3 LựachọnNOTWphùhợpvớiphântửADN 80 4.3.1 NOTWsửdụngkéocăng phântửADNchủnglamda 80 4.3.2 NOTWdùngđể kéocăngphântửBEC 83 55 4.4 KếtluậnChương4 85 KẾTLUẬN 87 DANHMỤC CÁC CƠNGTRÌNH KHOAHỌC ĐÃCƠNGBỐ 90 TÀILIỆU THAM KHẢO 91 DANHMỤC CÁCKÝHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT a[m]-Bán kínhvihạt c[3.108m/s]-Vậntốcánhsángtrong chânkhông d[m]-Độdàylớpchấtlưu ⃗ ( |⃗ |)[N]-Véc tơquanglực(độlớnquanglực) Fgrad,z[N]-Quanglựcgradientdọc Fgrad,ρ[N]-Quanglực gradientngang f, fnl[m]-Tiêucựthấukính(phituyến) h[J.s/rad]-HằngsốPlanck I,I0[W/cm2]-Cườngđộlaser ⃗ -Véctơsóng ⃗ |⃗⃗ |[1/m]-Sốsóng kB[1.38064852×10-23m2kgs-2K-1]-HằngsốBoltzman L[m]-Chiềudàimơitrường Lb[m]-Chiềudàibềncủa ADN Lc[m]-Chiều dàitổng củaADN Lstr[m]-Chiềudàicăng có thểcủaADN m-Tỉ sốchiết suất mpt-Tỉsốchiếtsuấtphi tuyến mh[kg]-Khối lượng vihạt N-Sốphô tôn nh-Chiếtsuấthạtđiệnmơi nm(nf)-Chiếtsuất mơitrường (chấtlưu) n2(nnl)[cm2/W]- Hệsốchiếtsuấtphituyến nK- ChiếtsuấtmơitrườngKerr n0-ChiếtsuấttuyếntínhcủamơitrườngKerr P[W]-Cơngsuất laser [kg.m/s] -Véctơ xunglượng ⃗ Q-Hiệusuất bẫyquang T[oK]-Nhiệt độ tuyệt đối t[s]-Thời gian U[J]-Nănglượnglaser W0[cm]-Bán kính thắt chùm Win[cm]-Bán kínhthắt chùmLGBvào Wz[cm]-Bán kínhchùmtia LGBtạiz Wi[0 1]- Giá trịcủahàmngẫunhiên z[m]-Tọa độdọctrục laser z0[m]-Độ dài Rayleigh α[N.cm3/W]-Hệsố phâncựccủavi cầulưỡngcực [N.cm2/W]-Hệsốtán xạcủavi cầu h[m/W]- Hệsốhấpthụcủachấtmàuhữucơ [kg/s]-Hệsố masát nhớt [kg/m.s(Pa.s)]-Độnhớt [m]-Tọađộ hướngtâm [nm]-Bướcsónglaser 0[8,8510-12F/m]-Độđiệnthẩmcủa chânkhơng AND-PhântửAND(Deoxyribonucleicacid) AOT-Kìmquang âm(Acousto-optical tweezers) AOCM-Phươngphápđiềukhiểnquang-âm(Acousto-OpticalControl) AoML-Mảng vithấu kính (Arrayofmicrolens) AoOTW-Mảng kìmquanghọc(ArrayofOptical Tweezers) ApoLB-Cơngsuấttrungbìnhcủachùmlaser(AveragepowerofLaserBeam) aOCM-Phươngphápđiềukhiểntồnquang(AllOpticalControlMethod) BEC-Vikhuẩn E.Coli(BacteriaEscherichiaColi) CL-Chiềudàitổng củaADN(ContourLength) DMP-Vihạtđiện mơi(DielectricMicroParticles) EF-Lựcđàn hồi (Elasticforce) EMCM-Phươngphápđiềukhiểnđiện-cơ(Electro-MechanicalControl) EOCM-Phươngphápđiềukhiểnđiện-quang(Electro-OpticalControlMethod) FDE-Phươngtrìnhviphânhữuhạn(FiniteDifferentEquation) FDM-Phươngphápviphânhữuhạn(FiniteDifferentMethod) GLE -PhươngtrìnhLangevintổngqt(GeneralLangevinEquation) GOF-Lựcgradientquang(GradientOpticalForce) ICOTW-Kìmquanghọcthơngminh(IntelligentControlTechniqueOpticalTweezers) IOTW-Kìmquanghọcgiao thoa (InterferenceOpticalTweezers) KE-Hiệu ứngKerr(KerrEffect) KF-ChấtlưuKerr (Kerr Fluid) KMP-VihạtKerr (KerrMicroParticle) LGB-ChùmlaserGauss (LaserGausian Beam) LGOF-Quanglựcgradient(LongitudinalGradientOptical Force) LHGB-ChùmlaserHollow(LaserHollow-GaussianBeam) LOTW-Kìmquanghọctuyến tính(LinearOpticalTweezers) ML-Vithấukính(Microlens) MO-Kínhhiểnvi (MircoscopeObjectives) NcoRI-Hệsốchiếtsuấtphituyến(NonlinearCoefficientofRefractiveIndex) NL-Thấukínhphituyến(Nonlinear Lens) NML-Vithấukínhphituyến(NonlinearMicrolens) NOTW-Kìmquanghọc phituyến (NonlinearOpticalTweezers) OD-Chất màu hữucơ(Organic Dye) OF-Quang lực(Optical Force)