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

Nhằm mục đích quan tâm những vấn đề đang còn bỏ ngỏ, để bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm với sự có mặt của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy, giải thích một số trường hợp không bẫy đ

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

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 chùm tia Gaussian, làm chùm tia

bị biến dạng một lần nữa Các thay đổi đó ảnh hưởng đến độ lớn và sự phân bố quang lực trong không gian chất lưu, tức ảnh hưởng đến vùng bẫy và vùng ổn định của bẫy

Nhằm mục đích quan tâm những vấn đề đang còn bỏ ngỏ, để bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm với sự có mặt của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy, giải thích một số trường hợp không bẫy được, nhưng khi thay đổi cường độ chùm thì có thể bẫy được, chúng tôi đã đề

xuất đề tài luận án là: “Phân bố lực trong không gian của kìm quang

học Kerr sử dụng chùm tia Gauss”

* Mục đích nghiên cứu:

Nhằm chỉ ra tác động của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy các vi cầu phi tuyến (hoặc vi cầu nhúng trong môi trường phi tuyến) và định hướng cho thực nghiệm, khảo sát phân bố 3 chiều của quang lực tác động lên vi cầu có chiết suất phi tuyến (hoặc tuyến tính) nhúng trong môi trường tuyến tính (hoặc môi trường phi tuyến - môi trường Kerr)

* Phương pháp nghiên cứu:

Trên cơ sở cấu hình kìm quang học Kerr, lý thuyết về kìm quang học và quang phi tuyến, dẫn ra các biểu thức tường minh cho quang lực dọc và quang lực ngang Sử dụng phần mềm Maple, mô phỏng phân bố của cường độ chùm laser Gaussian, quang lực dọc, ngang trong không gian hai chiều hoặc ba chiều Từ các kết quả mô phỏng, phân tích và bình luận về điều kiện hoạt động của kìm quang học và sự ổn định của

vi cầu

* Nội dung nghiên cứu:

Mô phỏng phân bố (hai chiều) của quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính (hoặc phi tuyến) trong mặt phẳng mẫu phi tuyến (hoặc tuyến tính); Khảo sát ảnh hưởng của các tham số chính như: hệ số chiết suất phi tuyến, cường độ đỉnh, bán kính mặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào, kích thước vi cầu lên quang lực ngang và phân bố của nó trên mặt phẳng mẫu

Mô phỏng phân bố (ba chiều) của quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính trong khối môi trường phi tuyến Khảo sát ảnh hưởng của các tham số chính như: Hệ số chiết suất phi tuyến, cường độ đỉnh, bán kính mặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào, kích thước vi cầu lên quang lực (dọc và ngang) và phân bố của nó trong khối chất lưu là môi trường phi tuyến

* Ý nghĩa về lý luận, thực tiễn của luận án:

Các nghiên cứu trước chưa quan tâm tới hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy Nội dung luận án bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm về bẫy quang học với sự có mặt của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy, định hướng lựa chọn tham số thực nghiệm cũng như giải thích một số trường hợp không bẫy được

Nội dung luận án được trình bày theo cấu trúc sau:

Chương 1 Kìm quang học: Công cụ bẫy và điều khiển vi hạt:

Tổng quan và hệ thống một số kết quả đã nghiên cứu về kìm quang học, rút ra những điểm cần quan tâm cho các chương sau

Chương 2 Phân bố lực trong kìm quang học tuyến tính:

Trên cơ sở mẫu kìm sử dụng một chùm tia trong môi trường tuyến tính (không nhạy với hiệu ứng Kerr), mô phỏng phân bố quang lực trong không gian 3 chiều, khảo sát ảnh hưởng của một số tham số quang học, đặc biệt là tỉ số chiết suất lên quang lực

Chương 3 Phân bố lực trong kìm quang học Kerr hai chiều:

Đề xuất kìm quang học dùng một chùm tia dạng sóng phẳng bẫy

vi cầu tuyến tính (phi tuyến) trong mặt phẳng chất lưu phi tuyến (tuyến tính), dẫn biểu thức tường minh quang lực tác động lên vi cầu có sự tham gia của hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser, khảo sát ảnh hưởng các tham số lên hoạt động kìm và ổn định vi cầu

Chương 4 Phân bố lực trong kìm quang học Kerr ba chiều:

Đề xuất kìm quang học dùng một chùm tia Gaussian bẫy vi cầu tuyến tính nhúng trong khối chất lưu (chứa vi cầu) có tính chất phi tuyến (cho khối chất lưu mỏng và có độ dày đáng kể) Trên cơ sở cấu hình kìm đó dẫn các biểu thức quang lực tác động lên vi cầu khi có sự tham gia đồng thời của hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser

và hiệu ứng tự hội tụ Khảo sát và bình luận ảnh hưởng các tham số lên hoạt động của kìm và tính ổn định của vi cầu

Kết luận: Nêu tóm tắt các nội dung đã thực hiện và một số kết

quả chính, mới của luận án

Chương 1 KÌM QUANG HỌC: CÔNG CỤ BẪY VÀ ĐIỀU KHIỂN VI CẦU 1.1 Quang lực

Quang lực là áp lực tác động của bức xạ trong vùng quang học lên vật [10], [11], dùng để mô tả áp lực của chùm laser tác động lên vi cầu điện môi Khi một chùm laser hội tụ lên một vi cầu điện môi sẽ có nhiều dạng quang lực khác nhau tác động lên nó như: Quang lực tán xạ, quang lực gradient, quang lực trong chế độ Mie, Rayleigh

1.2 Nguyên lý hoạt động

a Phân bố quang lực gradient ngang gây ra bởi chùm laser TEM 00

Một chùm laser sóng phẳng với cường độ

2 ˆ

* Khi m>1, phân bố có dạng đối ngẫu qua tâm (tại điểm z=0), vi cầu luôn bị kéo vào tâm (hình 1.7a) Khi vi cầu nằm tại một điểm cách trục chùm tia một khoảng  cũng sẽ bị kéo vào điểm (,0) với một quang lực nhỏ hơn (hình 1.7b)

* Khi m<1, chùm Gaussian không bẫy được vi cầu, ta thay bằng chùm laser có cường độ phân bố Hollow - Gaussian

laser ngược chiều được đề xuất [30],

[67], [68], khi đó phân bố quang lực đối

xứng nhau qua điểm hội tụ (tùy theo

điều kiện thực nghiệm)

1.4 Môi trường Kerr

Hiệu ứng Kerr xảy ra trong môi trường phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc ba lớn được chiếu bởi chùm laser có cường độ phù hợp Các môi trường có khả năng gây hiệu ứng Kerr thường là có tính đẳng hướng như: Thủy tinh, sáp, nước, nitrobenzene Trong điện trường mạnh,

sẽ xuất hiện tính chất quang học bất đẳng hướng,cụ thể chiết suất của chúng phụ thuộc vào cường độ trường (nn0 n I nl 0) Khi độ dày môi trường này nhỏ, nó sẽ thành thấu kính mỏng - thấu kính phi tuyến, có tác dụng hội tụ trở lại đối với chùm tia (Hình 1.16) [18]

Khi đó, thấu kính phi tuyến mới này có tiêu cự f pht tính như sau [18]:

nl o

f

A l B l n I d

   (1.34)

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu về kìm quang học

Trong lý thuyết thường giả thiết chùm tia laser có năng lượng và cấu trúc không đổi, chất lưu đồng nhất và đẳng hướng Trong thực nghiệm còn xuất hiện sự không ổn định của chùm laser và hệ quang, nhiễu loạn môi trường [21], [57], quá trình ngẫu nhiên lên quang lực [56] Thực nghiệm và lý thuyết hiện nay đang thành công với chiết suất vi cầu và chất lưu cố định (không phụ thuộc vào cường độ laser)

hay nói cách khác, thành công với “Kìm quang học tuyến tính”

Trường hợp khi vi cầu và chất lưu nhạy với hiệu ứng Kerr [60], [70], khi đó, chiết suất của chúng sẽ thay đổi theo cường độ chùm

laser, kìm có tính chất này gọi là “Kìm quang học Kerr” Khi đó sự

phân bố quang lực, hình thành vùng bẫy, vùng ổn định cần xem xét cụ thể để lý giải thỏa đáng cho thực nghiệm.

1.6 Kết luận chương 1

Trong điều kiện nhất định, hoạt động ổn định của kìm quang học phụ thuộc vào cấu hình của kìm, tính chất của chùm laser, kích thước của vi cầu, môi trường chất lưu và các lực ngoài tác động lên vi cầu Bên cạnh đó, điều kiện hoạt động của kìm và sự ổn định của vi cầu cũng phụ thuộc vào tính chất kết hợp của chùm tia, tính ổn định của môi trường và tính phi tuyến (chiết suất) của vi cầu cũng như của chất lưu Chương này đã quan tâm một số vấn đề như các cấu hình kìm quang học, động học và ổn định của vi cầu, ảnh hưởng của một số lực ngoài và tính ngẫu nhiên Nhưng ảnh hưởng của chiết suất môi trường cũng như của vi cầu, ảnh hưởng của các lực liên kết giữa các

vi cầu lại đang còn bỏ ngỏ Đó là những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu tìm hiểu thêm

Chương 2 PHÂN BỐ LỰC TRONG KÌM QUANG HỌC TUYẾN TÍNH 2.1 Cấu hình

trong môi trường tuyến tính, tức là “kìm

quang học tuyến tính một chùm tia”

2.2 Phân bố cường độ trong không gian ba chiều

Giả thiết tâm mặt thắt chùm gắn với hệ tọa độ (x,y,z) (Hình 2.1), khi

đó điện trường mô tả như sau [21], [36], [56]:

0 2 2

2.3 Phân bố quang lực trong không gian ba chiều

2.3.1 Quang lực tác động lên vi cầu

Khi vi cầu thỏa mãn  a, [8], [11], [12], [42], [56], phân bố cường độ laser theo (2.2), phân bố quang lực trong chế độ Rayleigh như sau:

( , , )

1 4 2

2.4 Ảnh hưởng các tham số lên quang lực và vùng bẫy

2.4.1 Ảnh hưởng của năng lượng chùm

Phân bố quang lực dọc khi bán kính thắt chùm là W0  2 m (hình 2.5) với các giá trị khác nhau của năng lượng laser:U  4mJ (a),U  6mJ (b),

2.4.2 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm

Phân bố quang lực dọc khi U  2mJ (hình 2.7) với các giá trị bán kính thắt chùm: W0  2 m(a); W0  3 m(b); W0  4 m(c);W0  5 m (d) và phân bố quang lực ngang trên bán kính hướng tâm khi U  2mJ (hình 2.8) với các giá trị bán kính thắt chùm: W0  2 m(a); W0  3 m(b); W0  4 m(c);

0 5

W  m(d) Ta thấy quang lực dọc không phụ thuộc tuyến tính vào bán kính thắt chùm (hình 2.7) Độ lớn vùng ổn dọc không thay đổi khi thay đổi bán kính thắt chùm, đặc biệt là quang lực ngang và độ lớn vùng ổn định phụ thuộc nhiều vào bán kính thắt chùm (hình 2.8).

2.4.3 Ảnh hưởng của tỉ số chiết suất tuyến tính

Sự phụ thuộc của quang lực dọc cực đại vào tỉ số chiết suất (2.11) và

phụ thuộc của quang lực ngang cực đại vào tỉ số chiết suất (2.12) Ta

thấy, quang lực dọc và ngang tỷ lệ thuân với tỉ số chiết suất tuyến tính

và sự thay đổi tỉ số chiết suất không ảnh hưởng đến độ lớn vùng bẫy

và vùng ổn định Khi tỉ số chiết suất tuyến tính tăng, giá trị cực đại của quang lực dọc và ngang đều tăng (Hình 2.11 và 2.12) Khi đó, kìm hoạt động sẽ hiệu quả hơn

2.5 Kết luận chương 2

Chương này trình bày về kìm quang học sử dụng một chùm xung laser Gaussian, các biểu thức quang lực tác động lên vi cầu điện môi nhúng trong môi trường chất lưu trong chế độ Rayleigh, mô phỏng phân bố của quang lực trong không gian môi trường, đồng thời bình luận về ảnh hưởng của các tham số quang như: Năng lượng laser, bán kính thắt chùm, tỉ số chiết suất và có các kết quả như sau:

- Quang lực dọc đối xứng qua thắt chùm (tức là ảnh hưởng của lực tán xạ không đáng kể), giá trị cực đại của nó tỉ lệ thuận với năng lượng chùm tia, tỉ số chiết suất và tỉ lệ nghịch với bán kính thắt chùm

Độ lớn các vùng bẫy dọc và vùng ổn định dọc không phụ thuộc mạnh

vào năng lượng, bán kính thắt chùm và tỉ số chiết suất tuyến tính

- Quang lực ngang luôn đối xứng qua trục truyền lan; giá trị cực đại của nó tỉ lệ thuận với năng lượng chùm tia, tỉ số chiết suất và tỉ lệ nghịch với bán kính thắt chùm; độ lớn vùng bẫy ngang phụ thuộc chủ yếu bán kính thắt chùm, trong khi đó, vùng ổn định ngang phụ thuộc

yếu các tham số quang

- Trong kìm tuyến tính dùng một chùm xung Gaussian:

+ Khi m 1, luôn tồn tại vùng bẫy với độ lớn thay đổi phụ thuộc vào

năng lượng tổng chùm tia, bán kính thắt chùm và tỉ số chiết suất Năng lượng chùm laser càng lớn, giá trị quang lực cực đại tại biên của vùng ổn định càng lớn, nên hiệu quả hoạt động kìm tăng lên và kìm không bao giờ bị phá vỡ

+ Khi m 1, kìm sẽ bị phá vỡ, do đó, không thể sử dụng chùm tia laser Gaussian Hiện tượng này dễ xảy ra khi vi cầu và môi trường nhạy với hiệu ứng Kerr Điều này sẽ được trình bày trong hai chương sau

3.1 Mẫu kìm quang học Kerr hai chiều

Mẫu kìm quang học Kerr 2D được mô tả trên hình 3.1 Trong cấu hình này, vi cầu và chất lưu có thể là phi tuyến theo hiệu ứng Kerr và

đổi vai trò cho nhau và gọi là “Kìm quang học

Kerr hai chiều”(hình 3.1)

Giả thiết là chiều dày môi trường d m xấp xỉ đường kính vi cầu 2a, nhỏ hơn nhiều so với độ dày Rayleigh, khi đó chùm laser phần tiếp xúc với vi cầu được xem là sóng phẳng

3.2 Phân bố quang lực ngang lên vi cầu tuyến tính trong môi trường Kerr

3.2.1 Cường độ chùm laser Gaussian dạng sóng phẳng

Tại hình 3.1, do vi cầu nằm trên mặt phẳng mẫu nên quang lực dọc không tác động vào nó Do đó, có thể giả thiết chỉ có cường độ laser tại tọa độ z trong khoảng từ z0 đến 0 là tác động lên hạt Bên

cạnh đó do ta khảo sát quang lực theo không gian, nên ta chỉ quan tâm đến cường độ chùm tại thời điểm xung cực đại (tức tại t=0) Khi đó biểu thức cường độ I P,t chùm được rút gọn là:

 

2 2 0

3.2.2 Phụ thuộc của chiết suất, hệ số phân cực vào cường độ chùm tia

Giả sử vi cầu tuyến tính được nhúng trong môi trường phi tuyến Kerr Khi đó, chiết suất môi trường sẽ thay đổi phụ thuộc vào cường độ laser (chiết suất phi tuyến) và được tính theo công thức [3]:

n pht m, n mn I nl P  (3.2)

3.2.3 Biểu thức của quang lực ngang

Sử dụng (3.2), biểu thức tính quang lực gradient ngang như sau:

( ) 2

1 8

( ) 2

h m m

h m h

h m

n

cW n

n n

cW n

Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm với tham số U=2mJ,

W-0=1μm, nnl = 10-14cm2/W (hình 3.2); Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm với U=6mJ, W0=1μm, nnl = 10-14cm2/W (hình 3.3); Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm (hình 3.5) với W0=1μm , nnl = 10-14cm2/W và U=10mJ (a); U=20mJ (b) Từ các hình ta thấy,

xuất hiện vùng bẫy với U=6mJ, W 0 =1μm, n nl = 10 -14 cm 2 /W (hình 3.3),

khi U=20mJ, thì vùng bẫy không tồn tại (hình 3.5)