Xác định quang lực lên vi hạt trong kìm quang học

Nguyên lý hoạt động của kìm quang học một chùm tia laser...18 CHƯƠNG 2...21 XÁC ĐỊNH QUANG LỰC LÊN VI HẠT TRONG KÌM QUANG HỌC21... Với vi hạt đượcnghiên cứu có kích thước xác định, nếu c

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Trang 3

Luận văn thạc sĩ được hoàn thành tại trường Đại học Vinh Để hoàn

thành được luận văn tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu TrườngĐại học Vinh, Ban chủ nghiệm Khoa Vật lý và Công nghệ, Phòng Đào tạosau Đại học cùng tất cả các thầy giáo, cô giáo của khoa Vật lý và Côngnghệ đã tạo điều cho tác giả được học tập, nghiên cứu và hoàn thànhchương trình cao học

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫnPGS.TS Nguyễn Huy Bằng đã tận tình giúp đỡ cho tác giả hoàn thành luậnvăn Xin chân thành cảm ơn NCS ThS Phan Văn Thuận đã đóng góp những ýkiến quý báu trong quá trình tôi nghiên cứu và viết luận văn

Vinh, tháng 05 năm 2015

Tác giả

Lê Thị Dung

Trang 4

CHƯƠNG 1 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KÌM QUANG HỌC 4

1.1 Photon ánh sáng 4

1.2 Tương tác giữa ánh sáng với vật chất 5

1.2.1 Áp suất bức xạ 5

Lực này được hiểu chung là áp lực Tuy nhiên, đơn thuần một lực này không thể bẫy được hạt mà nó chỉ đẩy hạt đi theo chiều truyền lan của chùm tia 6

1.2.2 Tương tác giữa photon ánh sáng với hạt điện môi 6

1.3 Các chế độ làm việc của kìm quang học 11

1.3.1 Chế độ Rayleigh 11

1.3.2 Chế độ Mie 14

1.4 Nguyên lý hoạt động của kìm quang học một chùm tia laser 18

CHƯƠNG 2 21

XÁC ĐỊNH QUANG LỰC LÊN VI HẠT TRONG KÌM QUANG HỌC21 2.1 Sơ đồ quang học 21

2.2 Các thiết bị thí nghiệm 22

2.2.1 Nguồn laser bẫy 22

2.2.2 Hệ thống chuẩn trực chùm laser 23

2.2.3 Hệ thống mở rộng chùm laser 23

2.2.4 Gương lưỡng sắc và giá đỡ 25

2.2.6 Hệ thống định vị mẫu 26

2.2.7 CCD camera 27

2.2.8 Đèn LED 27

Trang 5

2.2.9 Một số thiết bị khác 29

2.2.10 Kết nối máy tính 29

2.3 Lắp đặt hệ thống thí nghiệm 30

2.4 Hình ảnh của hạt khi thực hiện bẫy và nhận xét 31

2.4.1 Hình ảnh của hạt khi thực hiện bẫy 31

2.4.3 Một số thao tác trong quá trình bẫy hạt 32

2.5 Thu thập số liệu 32

2.5.1 Chuyển động Brown 32

2.6 Xử lý số liệu và sai số của thí nghiệm 36

2.6.1 Xác định hệ số nhớt của nước cất và sai số thí nghiệm 36

2.6.2 Xác định quang lực 39

KẾT LUẬN CHUNG 43

Trang 6

CHƯƠNG 1 4

CHƯƠNG 2 21

XÁC ĐỊNH QUANG LỰC LÊN VI HẠT TRONG KÌM QUANG HỌC21 2.1 Sơ đồ quang học 21

2.2.7 CCD camera 27

2.2.8 Đèn LED 27

Trang 7

CHƯƠNG 1 4

CHƯƠNG 2 21 XÁC ĐỊNH QUANG LỰC LÊN VI HẠT TRONG KÌM QUANG HỌC21

Trang 8

2.1 Sơ đồ quang học 21

2.2.7 CCD camera 27

2.2.8 Đèn LED 27

Trang 9

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Kìm quang học là thiết bị dùng để giữ và thao tác các đối tượng có kíchthước cỡ nanomet hoặc micromet (gọi là các vi hạt) Các đối tượng nghiêncứu như các hạt điện môi, các virút, vi khuẩn, tế bào sống, phân tử sinh học,hạt thủy tinh,… Các vi hạt này lại đặt trong các môi trường khác nhau Việcnghiên cứu về cấu trúc, các tính chất vật lí, hóa học và sinh học của những đốitượng này đã góp phần làm sáng tỏ sự bí ẩn của các quá trình sinh học trong

cơ thể sống, chế tạo vật liệu mới, cung cấp các thông tin cho việc chế tạothuốc [1], hơn nữa giúp chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa ánh sángvới vật chất và nâng cao kĩ thuật phổ hiện đại

Nguyên lí hoạt động của kìm dựa trên sự tạo thành quang lực tác dụnglên hạt vi mô chuyển động trong trường laser có phân bố cường độ sáng thaytheo không gian (thường là được hội tụ qua thấu kính) Với vi hạt đượcnghiên cứu có kích thước xác định, nếu chiết suất của vi hạt và môi trường đặt

nó là không thay đổi theo cường độ của chùm laser, thì độ lớn quang lực tácdụng lên vi hạt chỉ phụ thuộc vào cường độ sáng và độ hội tụ của nguồn laser

Để xác định được độ lớn của quang lực tác dụng lên vi hạt chúng ta còngặp rất nhiều khó khăn: Do các vi hạt mà ta nghiên cứu có kích thước quá bé

và không được cách li với môi trường bên ngoài, nên còn chịu ảnh hưởng củacác hệ xung quanh; quang lực tác dụng lên vi hạt có độ lớn vô cùng nhỏ (chỉ

cỡ hàng chục đến hàng trăm pN) Vì vậy cần phải có một thiết bị chính xác,hiện đại để đo độ lớn quang lực, thiết bị đó chính là kìm quang học Hiện nay,

ở phòng thí nghiệm Quang học - Quang phổ đã trang bị đầy đủ hệ kìm quanghọc hiện đại sử dụng một chùm laser xung Gauss với độ chính xác cao Do hệthiết bị kìm quang học hiện đại này chỉ phù hợp cho các nghiên cứu chuyên

sâu, nên gần đây tác giả Nguyễn Minh Hải [7] xây dựng hệ kìm quang học

Trang 10

đơn giản, tự lắp ráp và đã xác định thành công hệ số nhớt của nước cất với sai

số cỡ 5% Trong các phép đo thực nghiệm về kìm quang học thì việc đoquang lực là yêu cầu căn bản để xác định động học của các hạt trong buồngmẫu Tuy nhiên, trong công trình [7], tác giả mới chỉ dừng lại ở phép đo độnhớt và chưa xác định được quang lực tác dụng lên hạt Để giải quyết nhữnghạn chế này, chúng tôi phát triển hệ thiết bị trong công trình [7] để tiến hành

đo độ nhớt và từ đó xác định quang lực ở nhiều giá trị công suất khác nhau

của chùm laser bẫy Đó là lý do, chúng tôi chọn "Xác định quang lực lên vi

hạt trong kìm quang học" làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tiến hành thí nghiệm xác định hệ số nhớt của nước cất, từ đó xác địnhquang lực tác dụng lên hạt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về kìm quang học.

- Sử dụng hệ kìm quang học một chùm tia laser xung Gauss, tiến hànhthí nghiệm quay video chuyển động của hạt bị bẫy, và các hạt trong môitrường nước cất ứng với các giá trị khác nhau của dòng laser bẫy

- Từ video chuyển động, phân tích chuyển động các hạt để xác định hệ

số nhớt của nước cất

- Xác định độ lớn quang lực tác dụng lên vi hạt

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Kết hợp phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm.

Trang 11

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính củaluận văn gồm hai chương có cấu trúc như sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về kìm quang học

Trình bày những vần đề liên quan đến photon, tương tác của photon vớivật thể, các chế độ làm việc của kìm quang học, nguyên lý hoạt động của kìmquang học một chùm tia

Chương 2: Xác định quang lực lên vi hạt trong kìm quang học

Sử dụng hệ kìm quang học một chùm tia laser xung Gauss Tiến hànhthí nghiệm quay video chuyển động của hạt bị bẫy và các hạt trong môitrường nước cất, phân tích video chuyển động của các hạt từ đó xác định được

độ nhớt của môi trường chứa hạt mẫu, đó là cơ sở để xác định độ lớn quanglực tác dụng lên vi hạt trong kìm quang học Giải thích kết quả thu được

Trang 12

Năng lượng của một photon có bước sóng λ:

λ λ

π h k

p=  =  2 = (1.2)Hay viết dưới dạng véc tơ:

→p=.→k, (1.3)với 2 π

Theo công thức của thuyết tương đối:

2 4

0 2 2

2 p c m c

E − = , (1.4)

Trang 13

trong đó: E,p,m0 lần lượt là năng lượng, động lượng và khối lượng nghỉ củaphoton Do m0 = 0 nên:

nó có thể được viết như sau:

c

v= , (1.6)

trong đó, n m là chiết suất của môi trường

Xét trường hợp lý tưởng chùm sáng truyền vuông góc tới bề mặt có hệ

số phản xạ 100% Khi một photon tới có động lượng →p = →k bị phản xạ tại bềmặt phân cách thì photon phản xạ có động lượng →p'=−→k Theo định luậtbảo toàn động lượng , phần động lượng trao cho mặt gương sẽ là:

t

p t

k t

p F

Trang 14

Lực gây ra bởi một photon đơn sẽ rất nhỏ, chỉ vào khoảng 10−27 (N),nhưng lực gây ra bởi nhiều photon trong một chùm tia laser có thể là rất lớn.Thực vậy, xét một chùm laser có công suất tổng P (tương ứng với dòng N p

photon trên một đơn vị thời gian) ta có thể tính được lực gây ra do áp suất bức

xạ Theo đó, công suất của N p photon:

t

k c N

p N

c

P

Lực này được hiểu chung là áp lực Tuy nhiên, đơn thuần một lực này

không thể bẫy được hạt mà nó chỉ đẩy hạt đi theo chiều truyền lancủa chùm tia

1.2.2 Tương tác giữa photon ánh sáng với hạt điện môi

Một chùm photon có thể tương tác với vật thể bằng nhiều cách Kíchthước của vật thể chính là tham số tới hạn xác định hiệu ứng tương tác Khikích thước của vật thể nhỏ hơn bước sóng của photon ta sử dụng hệ phươngtrình Maxwell để giải thích bài toán tương tác trường điện từ của photon vớivật thể, trong trường hợp này gọi là giới hạn Rayleigh Khi kích thước nhỏnhất của vật thể lớn hơn bước sóng photon chiếu tới thì khái niệm như khúc

xạ, phản xạ và hấp thụ được sử dụng, trong trường hợp này gọi là giới hạnquang hình

Trang 15

Xét photon ánh sáng khi đi vào hạt có chiết suất khác với môi trườngban đầu Trong điều kiện cơ bản, các photon phản xạ hoặc khúc xạ tại bề mặt,động lượng của photon sẽ thay đổi và thỏa mãn định luật bảo toàn độnglượng Sự thay đổi động lượng của photon chuyển qua hạt và sinh ra quanglực tác dụng lên hạt Để thấy rõ hơn, chúng ta xét cho trường hợp hạt có kíchthước lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng Xét tia tới mặt phân cách từmôi trường chiết suất n m sang hạt có chiết suất n p.

Hình 1.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

Một photon trong dòng của tia tới có động lượng:

λ

π λ

m in

n

→r in = sin( )θ →i− cos( )θ →j, (1.14)với λm là bước sóng ánh sáng trong môi trường và λ0 bước sóng ánh sáng

Trang 16

trong chân không.

Thay (1.13), (1.14) vào (1.12) ta thu được kết quả:

Tại mặt phân cách, theo định luật khúc xạ ánh sáng:

Trang 17

làm cho động lượng trên bề mặt bị biến đổi một lượng theo chiều dươngtrục y

Giả sử có một chùm tia có phân bố năng lượng được mô tả như trên hình 1.2,sau khi khúc xạ qua hạt chùm tia hội tụ vào một điểm (Hình 1.2a)

Hình 1.2 Tia sáng khúc xạ tại giao diện của hạt điện môi

Những photon của tia sáng K bị khúc xạ về phía phải sẽ tạo ra một lực xuấthiện hướng về phía trái Tương tự, tia sáng L làm xuất hiện lực hướng về phíaphải Vì cường độ của chùm tia sáng K lớn hơn cường độ của chùm tia sáng Lnên kết quả là lực tổng hợp có một thành phần hướng sang trái và hạt đượckéo tới vùng có cường độ cao nhất

Ngoài ra, vị trí hạt được thay đổi dọc theo trục chùm tia gần với tiêuđiểm của chùm tia Hình 1.2b, chùm sáng giới hạn bởi hai tia M và N, khi hạt

ở phía trên tiêu điểm, chùm laser sẽ tạo ra một lực hướng xuống, là lực phụchồi hướng về phía tiêu điểm f Tương tự, khi hạt ở dưới tiêu điểm thì xuấthiện một lực hướng lên Tuy nhiên, hạt cũng bị đẩy về phía trước, một phần

do sự phản xạ tại bề mặt

Lực tác động lên bề mặt do hiện tượng phản xạ, khúc xạ ánh sáng được tìm ra

Trang 18

nhờ định luật Newton:

dt

p d F

→

= , (1.22)

trong đó d→p là độ thay đổi động lượng của bề mặt, 1 / dt là số photon tới bề

mặt trong một đơn vị thời gian

Lực tổng hợp tác dụng lên đối tượng được tính với mọi photon tới tácdụng lên nó Lực này được chia thành hai thành phần: lực gradient (lực vuônggóc với chùm tia), lực tán xạ (lực dọc theo chùm tia)

Lực gradient tác dụng lên hạt hướng về vùng có cường độ cao nhất (vớihạt có chiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường), hoặc đẩy hạt ra khỏichùm tia (với hạt có chiết suất bé hơn chiết suất của môi trường)

Nếu hạt có kích thước bé hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng vàchùm tia tác động lên hạt là một chùm laser có phân bố Gauss như hình1.3, thì tổng lực gradient hướng vào tâm của chùm tia, nơi có cường độlớn nhất

Hình 1.3 Hướng của quang lực theo gradient cường độ

Trang 19

1.3 Các chế độ làm việc của kìm quang học

1.3.1 Chế độ Rayleigh

Trong giới hạn gần đúng Rayleigh, kích thước d (có thể xem như là đường kính) của hạt bé hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng (10d < λ) [3].

Khi đó ta xem hạt như một lưỡng cực điện (gồm hai điện tích điểm ±q) nằm

trong một trường điện từ không đồng nhất như Hình 1.4 Lực điện từ tác dụnglên mỗi điện tích là lực Lorentz được xác định là:

Hình 1.4 Lưỡng cực điện cảm ứng của hạt nằm trong điện từ trường ngoài không đều tạo

ra lực kéo hạt về phía có cường độ trường cao nhất.

Theo lý thuyết điện từ cổ điển, lực điện từ tổng hợp tác dụng lên lưỡng cựcđược viết :

tương ứng là vectơ cường độ điện trường tại vị trí của các điện

tích q và -q của lưỡng cực điện Mối liên hệ giữa 1

được định nghĩa:

Trang 20

m

n a m

Trang 21

Nếu hạt nằm trong môi trường có chiết suất n m thì:

( 2 )

2

m grad n

F→ = α ∇〈 〉E (1.35)Mặt khác, nếu tính trung bình theo thời gian thì:

2

2 1 2

4 6 2

Trang 22

là hệ số phản xạ và truyền qua trên mặt của hạt sao cho R+T=1, n là số lầnphản xạ của một tia cụ thể Tia tới KA có công suất P và được giả thiết truyềndọc theo chiều dương của trục Z với một góa tới ∠KAL= θ và góc khúc xạ

Công suất của tia phản xạ đầu tiên sẽ là PR Công suất tia khúc xạ đầu tiên

AB sẽ là PT Tia truyền qua lần thứ hai BH có công suất PT2 Tia BC chịumột lần truyền qua và một lần phản xạ nên có công suất PTR Quá trình nàytiếp tục

Xét tam giác ∆OAB ta có

∠OAB= ∠OBA= φ (1.44)Giả sử tia truyền qua BH tạo với trục Z một góc α thì

Trang 23

Như vậy, tia truyền qua CN tạo với trục Z một góc α β+ Tương tự nhưvậy, có thể chỉ ra rằng mỗi một tia truyền qua thứ cấp quay đi một góc β sovới tia truyền qua trước đó, tức là ∠DNJ = β và tia ND tạo một góc α + 2 β sovới trục Z.

Hình 1.5 Sơ đồ quang hình cho tia KA công suất P tác dụng lên hạt có tâm O.

Hệ số phản xạ và truyền qua của hạt tương ứng là R và T góc tới và

góc khúc xạ tương ứng là θ và φ

Từ định luật bảo toàn xung lượng, xung lượng tổng (và xung lượng/đơn

vị thời gian) của tia tới được bảo toàn Đại lượng xung lượng/đơn vị thời giancủa tia AE là:

R c

Trang 24

2 cos 1

) cos(

2 cos

) 2 cos(

) cos(

) 2 cos(

0 2

0

2 2

2

2 2

+

= + + +

+ +

β α θ

β α

β α α

θ π

n R

T R

c

P n

n R

T c

P n R

c

P n c

P n R

T c

P n

R T c

P n T

c

P n R

c

P n c

P n F

n m

m m m

m m

m m z

R c

P n

c

P n R

R

R T

R c

P n

+

−

− +

=

φ

φ φ

θ θ

2 cos 2 1

2 cos )

2 2 cos(

2 cos

Lực gradient:

g m m

c

P n R

R

R T

R c

P n

θ θ

2 cos 2 1

2 sin )

2 2 sin(

Trang 25

2 2

,

p m

n m

θ θ

2 cos 2 1

2 cos )

2 2 sin(

2 cos

2

R R

R T

R

Q s

+ +

+

−

− +

= (1.59)

φ

φ φ

θ θ

2 cos 2 1

2 sin )

2 2 sin(

2

R R

R T

R

Q g

+ +

Để lập luận, tính toán và tìm được biểu thức độ lớn của quang lực tácdụng lên hạt chúng ta phải sử dụng lý thuyết trường điện từ Việc tính toántìm độ biến thiên động lượng của photon khi truyền qua hạt để xác định lựcgradient và lực tán xạ rất phức tạp Kết quả cho thấy việc bẫy hạt có kích

Trang 26

thước bằng bước sóng ánh sáng vẫn rất hiệu quả, và nó phụ thuộc rất nhiềuvào khẩu độ số NA của vật kính.

Lý thuyết để mô tả chế độ này được gọi là lý thuyết Lorent-Mietổng quát

1.4 Nguyên lý hoạt động của kìm quang học một chùm tia laser

Nguyên lý hoạt động của kìm quang học một chùm tia dựa trên sự tácđộng của quang lực lên vi hạt có kích thước cỡ nano mét hoặc micro mét [8].Quang lực tác dụng lên hạt được chia thành hai thành phần: lực gradient(vuông góc với phương truyền của chùm tia) và lực tán xạ (dọc theo phươngtruyền của chùm tia)

Đối với kìm quang học sử dụng một chùm laser xung Gauss, với hạt cóchiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường thì lực gradient đóng vai trò lựchồi phục hướng về trung tâm của chùm tia, còn lực tán xạ dọc theo phươngtruyền của chùm tia Do độ lớn của lực dọc trục phụ thuộc rất nhiều vào khẩu

độ số NA của vật kính, vì vậy việc bẫy được hạt còn phụ thuộc rất nhiều vàokhẩu độ số NA của vật kính có khả năng tạo ra gradient cường độ lớn để kéohạt vào tâm của chùm tia hay không Chính vì lý do đó mà khi thiết kế kìmquang học sử dụng một chùm laser xung Gauss người ta sử dụng vật kính cókhẩu độ số lớn để lực dọc trục được sinh ra từ sự khúc xạ ánh sáng qua hạt sẽlớn hơn rất nhiều so với lực dọc trục được sinh ra từ sự phản xạ ánh sáng ở bềmặt của hạt, khi đó một lực phục hồi theo phương truyền kéo hạt về trung tâmcủa chùm tia Đồng thời lực gradient theo phương ngang cường độ cũng đượctăng cường Hơn nữa để bẩy được hạt thì lực của bẫy quang học theo các trụckhác nhau phải vượt qua lực gây nên chuyển động Brown

Sơ đồ cấu trúc kìm quang học một chùm tia laser được mô tả tronghình 1.6

Trang 27

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc kìm quang học một chùm tia laser.

Trang 28

Kết luận chương 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày về photon ánh sáng: Khiphoton ánh sáng tương tác với vật thể sẽ trao động lượng của mình cho vật,điều này tương ứng với sự xuất hiện một lực tác dụng lên vật, lực đó gọi làquang lực, đây chính là cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo kìm quang học

Độ lớn của quang lực phụ thuộc vào công suất của nguồn laser, tỷ sốchiết suất của hạt so với chiết suất của môi trường và đặc biệt phụ thuộcvào kích thước của hạt so với bước sóng ánh sáng, chính vì vậy mà người

ta chia ra các chế độ làm việc của kìm quang học: Chế độ Rayleigh, Mie vàLorentz-Mie

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của kìm quang học sử dụng một chùmtia laser xung Gauss

Trang 29

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH QUANG LỰC LÊN VI HẠT

TRONG KÌM QUANG HỌC

2.1 Sơ đồ quang học

Sơ đồ quang học của kìm quang học sử dụng một chùm laser xungGauss được mô tả như hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1 Sơ đồ quang học của kìm quang học một chùm tia.

Ánh sáng từ nguồn laser đi qua bộ phận chuẩn trực, cho ta một chùmtia song song, sau đó đi qua hệ thống mở rộng chùm tia gồm thấu kính hội tụ

1

L ( f1 = 25mm) và thấu kính hội tụ L2( f2 = 75mm) đặt đồng trục cách nhau 100

mm Chùm tia sau khi qua thấu kính L2được mở rộng và được truyền đến

Trang 30

gương lưỡng sắc M1 Ánh sáng laser phản xạ ở gương M1 (có bước sóng phản

xạ 830nm 1300− nm, bước sóng truyền qua 400nm 790− nm) và được truyền đếnvật kính L3( 100X; 1 , 25NA), sau đó hội tụ trên bản mẫu P Điều chỉnh hệ thốngđịnh vị mẫu đến vị trí để quan sát và bẫy được hạt Ánh sáng từ đèn LED quathấu kính L4(f4 = 50mm), hội tụ ở bản mẫu P, đi qua gương lưỡng sắc M1 sau

đó phản xạ ở gương M2, đi qua thấu kính hội tụ L5(f5 = 100mm)và hội tụ tại

camera Camera được kết nối với máy vi tính giúp quan sát, ghi lại hình ảnhcủa hạt bị bẫy, và các hạt trong môi trường đó bằng phần mềm UC480

2.2 Các thiết bị thí nghiệm

2.2.1 Nguồn laser bẫy

Nguồn laser bẫy là laser bán dẫn có công suất cực đại cỡ 330mW tạicường độ dòng điện 500mA, phát liên tục với bước sóng 975nm Tùy theomục đích sử dụng mà ta có thể thay đổi công suất của nguồn laser Bước sóngcủa nguồn laser được chọn phải trong suốt đối với mẫu tiến hành thí nghiệm,nhờ đó mà các mẫu không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu nên chúng không bị pháhỏng do laser

.

Hình 2.2 Nguồn cung cấp điện áp cho laser bẫy

Trang 31

2.2.2 Hệ thống chuẩn trực chùm laser

Hệ thống chuẩn trực chùm tia có tác dụng tạo ra một chùm tia songsong theo một hướng xác định, với độ phân kỳ thấp laser

Các bộ phận của hệ thống chuẩn trực chùm laser:

Các bộ phận của hệ thống mở rộng chùm tia:

Trang 32

Tấm gắn kết vuông

Đường kính φ = 25 , 4mm

Kích thước 32mm 32× mm

2 Thấu kính hội tụTiêu cự f =25mm.

3 Thấu kính hội tụTiêu cự f =75mm.

Trang 33

2.2.4 Gương lưỡng sắc và giá đỡ

Gương lưỡng sắc cho phép ánh sáng đi theo hai chiều với bước sóngtruyền qua 400nm 790− nmvà bước sóng phản xạ 830nm 1300− nm Chúng có tácdụng lái chùm tia laser vào vị trí mẫu, đồng thời cho ánh sáng từ đèn LEDtruyền qua đi về CCD camera

Các bộ phận của hệ thống tách chùm tia:

1

Khối tách chùm tiaĐường kính φ = 25 , 4mm.

Kích thước

mm mm

nm

nm 790

400 − Bước sóng phản xạ 830nm 1300− nm

2.2.5 Vật kính

Vật kính có độ phóng đại 100X, khẩu độ số 1,25 NA là bộ phận quantrọng, cần lưu ý trong quá trình thiết kế kìm quang học Một kìm quang họchoạt động ổn định cần có lực gradient, lực này phải lớn hơn lực tán xạ Lựcnày phụ thuộc nhiều vào khẩu độ số NA của vật kính Do đó có thể điều chỉnhlực gradient bằng cách chỉnh khẩu độ số của vật kính Kính vật phù hợp nhấtcho kìm quang học phải có khẩu độ số nằm trong khoảng 1,2 đến 1,4

Vật kính giúp ta quan sát các hạt có kích thước bé qua camera được kếtnối với máy vi tính

Trang 34

Bộ phận kết nối vật kính với tấm gắn kết vuông

Đường kính φ = 25 , 4mm.

3

Tấm gắn kết vuôngĐường kính φ = 25 , 4mm

2.2.6 Hệ thống định vị mẫu

Hệ thống định vị mẫu được chúng tôi sử dụng là giá đỡ của một kínhhiển cũ Hệ thống này giúp cố định, điều chỉnh bản mẫu theo phương thẳngđứng đến vị trí thích hợp để quan sát và bẫy được hạt như trên hình 2.3

Hình 2.3 Hệ thống định vị mẫu

Trang 35

2.2.7 CCD camera

CCD camera giúp quan sát, theo dõi và ghi lại hình ảnh của hạt trước

và trong quá trình bẫy hạt Số khung hình trên giây của camera là 120 fps tại

độ phân giải 320 x 320 px

Các bộ phận của camera:

1 Camera phân giải cao

2 Thấu kính hội tụ

Tiêu cự f = 100mm.

3

Tấm gắn kết vuôngĐường kính φ = 25 , 4mm

4

Ống lắp thấu kínhĐường kính φ = 25 , 4mm

Chiều dài l = 50 , 8mm.

2.2.8 Đèn LED

Đèn LED cung cấp ánh sáng cho việc quan sát mẫu, với điện áp địnhmức là 3,7V, công suất P=1mW Ánh sáng từ đèn hội tụ ở bản mẫu, quagương lưỡng sắc M1, phản xạ ở gương M2 rồi truyền đến thấu kính hội tụ f5

và sau đó sẽ được hội tụ vào camera

Các bộ phận của đèn LED:

Trang 36

STT Tên gọi và thông số Hình ảnh

Trang 37

2.2.9 Một số thiết bị khác

Một số thiết bị giúp lắp ráp và cố định hệ thống thí nghiệm

1

Thanh lồngĐường kính φ = 6mm

Chiều dài l = 75mm.2

Bàn thí nghiệmKích thước

mm mm

mm 1200 12 , 7

3

Trụ đỡĐường kính φ = 25 , 4mm

Hình 2.4 Giao diện phần mềm UC480 để điều khiển CCD camera

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	5,66 MB