luận án mảng kìm quang học biến điệu quang âm (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THỊNH MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ VINH - 2016 A- MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Chiết suất số môi trường biến điệu không gian ba chiều cách thay đổi cường độ tần số sóng âm áp vào Các môi trường gọi môi trường quang- âm Một số môi trường có hệ số quang giảo lớn thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể Galium Asenite (GaAs) [25], [50], [86] tinh thể vô định hình Ge 33As12Se33 [66] sử dụng để tạo môi trường quang-âm Trong số vật liệu quang-âm kể trên, tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 có hệ số quang giảo lớn Tinh thể vô đinh hình Ge 33As12Se33 nhận sau cắt bỏ số số nguyên tử Se thủy tinh Ge 33As12Se55 phương pháp laser xung cực nhanh Nhờ vật liệu quang âm mà mảng kìm quang học chiều chế tạo nhằm bẫy điều khiển vi hạt chiều định Việc bẫy đồng thời điều khiển nhiều hạt thực số mảng kìm quang học khác chế tạo dựa nguyên lý nhiễu xạ ánh sáng, sử dụng thiết lái chùm tia laser hay sử dụng mảng vi thấu kính Tuy nhiên, mảng vi thấu kính có số nhược điểm như: cần tốc độ quét nhanh, phải sử dụng hệ học xác cao, hay linh động không gian ba chiều (hay gọi mảng cứng) Do đó, vấn đề đặt cần có mảng kìm quang học động, điều khiển vi hạt không thông qua hệ điều khiển học Ngoài yếu tố vật liệu quang – âm có hệ số quang giảo lớn, nguồn sóng siêu âm có cường độ lớn chế tạo Năm 2002, Kohrmann cộng [93] chế tạo thành công nguồn phát sóng siêu âm ống gốm áp điện Sóng âm hội tụ vào diện tích 128mm2 cho cường độ trung bình lên đến Is  8,591107 W / m2 Dựa vào kết nghiên cứu nguồn sóng siêu âm Aristizabal cộng [10], năm 2011, Kotopoulis nghiên cứu thành công nguồn siêu âm có cường độ lớn Is  104 W / m2 tinh thể LiNbO3 [79] Gần đây, vào năm 2012, Ipatov cộng sử dụng nguồn siêu âm có cường độ lên đến Is  107 W / m2 để nghiên cứu lớp vật liệu chống âm [94] Từ phân tích nhược điểm mảng kìm quang học cứng dựa vào hai yếu tố môi trường quang - âm nguồn sóng siêu âm có cường độ lớn, đề xuất mảng kìm quang học động Nội dung nghiên cứu mảng kìm đề cập luận án “Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm” Nội dung nghiên cứu: i) Khảo sát hình thành mảng vi thấu kính môi trường quang - âm biến điệu sóng âm; ii) Khảo sát đánh giá điều kiện hoạt động mảng kìm sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang – âm; iii) Nghiên cứu trình sàng phương pháp sàng vi hạt mảng kìm quang học biến điệu quang - âm Mục đích nghiên cứu: Đề xuất mảng kìm quang học sủ dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang-âm, khảo sát điều kiện xuất vi thấu kính kìm bẫy sàng vi hạt Đối tượng nghiên cứu: Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết mô phương pháp toán phần mềm máy tính Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: i) Đã đề xuất mô hình lý thuyết mảng vi thấu kính động (đường kính mở tiêu cự vùng micromet) môi trường quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu hai sóng âm truyền lan vuông góc với với số mảng, đường kính mở, tiêu cự vi thấu kính thay đổi vùng micromet thay đổi tần số sóng âm vùng (200500)MHz, cường độ hay đổi vùng (1.1048.107)W/m2; ii) Đã phân tích, khảo sát đưa tham số cho thực nghiệm thiết kế mảng kìm quang học sử dụng tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang âm bẫy điều khiển 2D 3D vi hạt polystyrene có kích thước vùng (105000)nm nhúng nước sử dụng chùm laser có công suất cực đại 2,5W B- NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Ngoài mở đầu, kết luận, nội dung luận án trình bày bốn chương sau: Chương 1: Phân tích đánh giá trình phát triển mảng kìm quang học Chương 2: Mảng vi thấu kình biến điệu quang-âm Chương 3: Điều kiện hoạt động màng kìm quang học biến điệu quang âm Chương 4: Khảo sát đặc trwung mảng kìm quang học biến điệu quang-âm CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC 1.1 Quang lực Quang lực áp lực xạ quang học tác động lên vật chất 1.2 Phân bố quang lực không gian Khi chùm tia laser chiếu lên vi hạt, tác động lực gradient Fgr (r) lực tán xạ Fsc (r) có hai dạng quang lực tác động sau: Fgr (r)  2 nm a m2   r I (r); m2  2 8 nm k a  m2   Fsc (r)    I (r) 3c m    (1.5) Để quang lực lớn, chùm laser hội tụ phân bố cường độ theo   Wz  không gian mô tả hàm Gauss, tức là: I (r)  I (  , z)  I W02 exp  2   , Wz  Wz2  W02   z / z0   , z0  độ dài Rayleigh 1.3 Cấu hình nguyên lý hoạt động kìm quang học 1.3.1 Cấu hình đơn kìm: Chi tiết cấu hình kìm quang học vật kính với độ số (NA) cao tạo gradient lớn cho chùm tia laser Vi hạt bẫy tâm vết chùm tia (Hình 1.11) Đơn kìm bẫy hạt vị trí không gian định Để đồng thời bẫy nhiều hạt vị trí không gian khác nhau, Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết cấu tạo kìm quang học sử dụng chùm laser thực nghiệm phải có mảng kìm quang học 1.4 Mảng kìm quang học 1.4.1 Mảng kìm quang học sử dụng hệ quét nhanh chùm tia (BQS-Beam Quickly Scanning): Sử dụng hệ quét chùm tia (Galvo) điều khiển vết chùm tia không gian hai chiều (2D) Trong khoảng thời gian định giam giữ Hình 1.12 Kìm quang học array sử dụng linh kiện BQS nhiều vi hạt (Hình 1.12) 1.4.2 Mảng kìm quang học nhiễu xạ (DOT- Diffractiion Optical Tweezers ): Sử dụng khe nhiễu xạ tạo chùm laser thành nhiều chùm thành phần khác Nhờ hệ telescop, chùm thành phần hội tụ tạo nên mảng kìm quang học hai chiều 1.4.3 Mảng kìm quang học giao thoa hai chùm tia (Interference Optical Tweezers) Sừ dụng giao thoa kế Mach-Zehnder, tạo vết giao thoa chùm laser không gian nhận mảng kìm quang học chiều 1.4.4 Mảng kìm quang học thông minh (ICOT-Inteligent Control Optical Tweezers): Sử dụng khe nhiễu xạ hệ quang điều khiển khoảng cách thấu kính kết hợp với hệ quét tia bẫy vi hạt không gian ba chiều(3D) Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo mảng Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động kìm 2,5D ICOT MSOT 1.4.5 Mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính (MSOT): Dùng mảng 2D vi thấu kính chế tạo sẵn đồng thời bẫy vi hạt mặt phẳng 2D xác định (Hình 1.21) 1.4.6 Mảng kìm quang học sử dụng hiệu ứng quang - âm (OAD-Opto-Acoustic Deflector): Sử dụng môi trường biến điệu quang âm thay cho hệ quét tia học (Hình 1.22) a b Hình 1.22 a) Mảng kìm sử dụng AOD biến điệu quang - âm, b) Vết quét AOD Kết luận chương Từ phân tích ưu điểm nhược điểm chúng, rút số điểm sau: i) Phương pháp sử dụng linh kiện nhiễu xạ cố định (cứng) mảng vi thấu kính chế tạo sẵn cho mảng kìm quang học cố định, đó, bẫy đồng thời nhiều vi hạt điều khiển chúng; ii) Phương pháp sử dụng linh kiện quét tia học hay quang - âm bẫy nhiều vi hạt đồng thời với điều kiện tốc độ quét lớn Với tốc độ quét hợp lý, phương pháp điều khiển đơn vi hạt; iii) Ngoài mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính, mảng kiểu khác khó ổn định cấu hình quang-cơ phức tạp; iv) Từ tổng quan trình bày, nói yêu cầu đặt vấn đề khoa học công nghệ bỏ ngỏ, cần quan tâm nghiên cứu Đây lý mà đề xuất đề tài nghiên cứu Dựa sở nguyên lý hoạt động mảng kìm quang học MSOT AOD , đồng thời dựa vào kết nghiên cứu khả tạo nguồn sóng âm có 7 cường độ lớn I s  3.10 W / m , I s  8.10 W / m I s  3.10 W / m hoạt động vùng siêu âm (MHz) số vật liệu quang - âm có hệ số quang giảo lớn (SiO2, GaAs, Ge33As12Se33) đề xuất nghiên cứu “mảng kìm quang học biến điệu quang - âm” CHƯƠNG MÔ HÌNH MẢNG VI THẤU KÍNH BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM 2.1 Phân bố chiết suất môi trường biến điệu quang - âm chiều Giả thiết có khối chữ nhật môi trường quang - âm có kích thước a  a  d (hình 2.1) Một số môi trường có hệ số quang giảo lớn thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể Galium Asenite (GaAs) tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 sử dụng Dưới tác động sóng âm, độ giãn nén môi trường tọa độ x thời gian t biểu diễn Hình 2.1 Khối môi trường quang - âm biến điệu nguồn sóng âm (NSA) theo chiều X sau: S x ( x, t )  S0 cos  t  qx  x  , (2.1) Độ giãn nén Sx ( x, t ) gây nên biến đổi chiết suất tương tự hiệu ứng Pockels: n( x, t )    n3 S x ( x, t ) n( x)  n  n0 cos  qx  x  (2.5) (2.9) Áp dụng phương trình (2.9), phân bố chiết suất tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 với hệ số đáp ứng M  1,68.1011 m2 / W , chiết suất n  , biến điệu sóng âm với I s  3, 0.104 W / m , Vs  5500m / s , cường độ vận tốc tần số Fs  350MHz  x  truyền Hình 2.2 a) Phân bố chiết suất môi trường quang - âm theo trục x (Λ); b) Chiếu mặt phẳng (X,Y) theo trục X mô trình bày hình 2.2 Mỗi khối kích thước ( a   d ) trở thành khối GRIN (chiết suất phân bố từ tâm biên cạnh ) 2.2 Mô hình biến điệu quang - âm hai chiều Môi trường quang - âm biến điệu hai sóng siêu âm truyền lan vuông góc với đề xuất hình 2.6 Một khối môi trường có kích thước a  a  d Môi trường biến điệu hai sóng âm truyền theo hai chiều x y Hai sóng âm phát chung chuyển đổi điện - âm (ví dụ chuyển đổi điện - âm tinh thể LiNbO3 áp tín hiệu vô tuyến Tần số Hình 2.6 Cấu tạo biến điệu quang - âm hai sóng âm nhìn từ xuống theo trục z cường độ sóng siêu âm phát từ biến đổi thay đổi cách thay đổi tần số cường độ sóng vô tuyến 2.4 Khảo sát phân bố chiết suất 2D tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 Chúng ta khảo sát phân bố chiết suất 2D tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 Các tham số quang học Ge33As12Se33 sau: Phổ truyền qua 1,0 14,0 m , Chiết suất n  4,0 , Hằng số đáp ứng M  1,68 1011 m2 / W Tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu sóng siêu âm có tham số sau: Tần số Fs  172 106 Hz , Cường độ trường Is  1,0 104 W / m2 , Tốc độ Vs  5500m / s , Sử dụng (2.3), bước sóng sóng âm Ge33As12Se33 :   Vs / Fs  5500 /172  31m a b c d Hình 2.7 Phân bố chiết suất tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 mặt phẳng (X,Y) với Is  1,0 104 W / m2 ,(a), Is  3,0 107 W / m2 ,(b) Is  8,0 107 W / m2 ,(c); d) Sự hình thành mảng chiết suất - vùng chiết suất giống mặt phẳng (X,Y) a c b d Hình 2.8 a) Phân bố chiết suất diện tích  đường đẳng chiết với độ lệch pha khác   (b)    / (c)   3 / (d) 2.5 Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm Vì khối GRIN giống nên với điều kiện lựa chọn phù hợp, khối GRIN trở thành vi thấu kính, nhận mảng NN vi thấu kính Độ dốc profile chiết suất tác động đến quang trình ánh sáng truyền môi trường Môi trường có chiết suất thay đổi theo profile hình Hình 2.9 Khối GRIN tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang – âm 2.10 gọi khối GRIN Quang trình GRIN mô tả sau n( x, y)d  dn  d n( x, y)  dn  d '( x, y)n (2.15) Phương trình (2.15) có nghĩa ánh sáng truyền qua khối GRIN (hình 2.11.a) tương đương với truyền qua môi trường đồng chiết suất không đổi độ dày d chiết suất n (phần bên trái hình 2.11.b) môi trường đồng chiết suất n không đổi với chiều dày thay đổi theo hàm d '( x, y) (phần Hình 2.10 Phân bố chiết suất cực tiểu (đỏ) cực đại (xanh) hai mặt phẳng khác xoay quanh trục khối GRIN bên phải hình 2.11.b) Hình 2.11 Mô hình tương đương thấu kính khối GRIN a) Quang trình tia sáng qua khối GRIN n(x,y); b) Quang trình tia sáng qua khối chiết suất không đổi n chiều dày d thấu kính chiết suất không đổi n mặt cong d’(x,y) Chính phân bố d '( x, y) định tiêu cự khối GRIN Với mẫu khảo sát mục 2.4, tiêu cự vi thấu kính tính theo quang hình nhận sau: R 323 f c   108 m (n  1)  Hình 2.12 Phân bố d’ (x[Λ],y[Λ]) tương đương (2.18) thấu kính khối thành phần tinh thể vô Sau tính tiêu cự vi định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang – âm thấu kính theo nguyên lý dẫn sóng 2.6 Tiêu cự vi thấu kính 2.6.1 Tiêu cự cho khối GRIN có phân bố chiết suất có độ dốc cực đại : Để khối GRIN trở thành thấu kính, cần chọn độ dày thỏa mãn điều kiện sau: d   / 2 (2.32) Do phân bố chiết suất đối xứng qua trục tâm khối GRIN, sử dụng phép gần cận trục để tính tiêu cự cho khối GRIN có độ đốc chiết suất lớn f1 n (2.36) d đó,   8n0 / n CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM 3.1 Đề xuất mô hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm Trên sở nguyên lý hoạt động mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính Sow [20], cấu tạo mảng kìm quang- âm sử dụng mảng vi thấu kính động biến điệu quang - âm đề xuất theo sơ đồ hình Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang - âm 3.1 Nhờ mảng vi thấu kính động 2D này, chùm laser chia thành nhiều chùm nhỏ hội tụ vào môi trường chất lưu đặt sau mảng vi thấu kính Vết hội tụ tia laser thành phần tạo thành mảng kìm quang học 2D mặt phẳng xác định chất lưu phụ thuộc vào tiêu cự vi thấu kính Các vi hạt lơ lửng chất lưu bị bẫy vào tâm vết hội tụ chùm laser thành phần Nhờ quang lực, vi hạt giữ Vị trí vi hạt bẫy không gian 3D điều khiển sóng âm Hình 3.2 Mảng kìm quang học chất nguồn sóng âm áp vào hai mặt bên lưu chứa vi hạt (tương đương với cấu hình cạnh môi trường quang - âm Sơ sử dụng thấu kính chế tạo sẵn) đồ cấu tạo rút gọn mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang - âm trình bày hình 3.2 12 3.2 Điều kiện độ số vi thấu kính Khẩu độ số thấu kính xác định gần sau: NA  nm D 2f (3.1) Môi trường Ge33As12Se33, hệ số đáp ứng M  1,68 1011 m2 / W , chiết suất n  Sử dụng sóng âm có tần số Fs  350 106 Hz cường độ Is  107 W / m2 vận tốc môi trường Ge33As12Se33 Vs  5500m / s Chúng ta xét trường hợp môi trường sau mảng vi thấu kính nước có chiết suất nm  1,33 Sự phụ thuộc độ số vào tần số cường độ sóng âm hình 3.4 Tinh thể GaAs, hệ số đáp 13 ứng M  1,04 10 m / W , chiết suất n  3,37 [66], biến điệu sóng âm có bước sóng   15, 26  m Hình 3.4 Phụ thuộc NA vào FS Is Các tham số: 11 M  1,68 10 m / W , n  , nm  1,33 , d  115 m , Vs  5500m / s cường độ Is  1,0 104 W / m2 Với tham số cho trên, phụ thuộc NA vào độ dày tinh thể trình bày hình 3.5 phụ thuộc NA vào tần số cường độ sóng âm với độ dày tinh thể d  25mm trình bày hình 3.6 Từ kết khảo sát cho Hình 3.5 Phụ thuộc độ số vào độ dày tinh thể GaAs với tham số: n  3,37 , M  1,04 1013 m2 / W ,   15, 26 m , I s  10 104 W / m2 , nm hai môi trường quang - âm  1,33 trên, rút tham số cụ thể áp dụng cho việc thiết kế mảng kìm quang học biến điệu quang - âm sau: 13 Cho môi trường Ge33As12Se33  M  1, 68.1011 m / W , n  4, d  115 m   Ge33 As12 Se33 :  Fs I s  186( MHz W / m), Vs  5500m / s  H O : n  1,33 m   (3.3) tinh thể GaAs  M  1, 04.1013 m / W, n  3,37, d  25mm   GaAs :  Fs I s  160.1010 ( Hz W / m), Vs  5000m / s  H O : n  1,33 m   (3.4) 3.3 Phân bố cường độ laser tiêu diện vi thấu kính Sơ đồ cấu tạo vi kìm quang học trình bày hình 3.7      P  I L (  , z)  2   f     z 1   0, 7 f   2             2  exp        2     z  0,   f  1           0, 7 f         2         (3.21)              Hình 3.7 Cấu hình kìm quang học sử dụng vi thấu kính Với tham số chọn, phân bố cường độ laser mặt phẳng pha (ρ,z), tính từ mặt phẳng pha đến tiêu cự ( z   f  f ) bán kính hướng tâm   5  5 m trình bày hình 3.9 14 Hình 3.9 Phân bố cường độ mặt phẳng pha (ρ,z) Với tham số: n  4,0 ; M  1,68 1011 m2 / W , Fs  350 106 Hz , I s  8.107 W / m2 , Vs  5500m / s , d  115 m 3.4 Quang lực gradient dọc ngang Từ (3.15), cách z  nhận phân bố quang lực ngang tiêu diện sau:         8 nm a3  m2   P0    2    Fgrd,  (  , z  0)     exp     c  m2    f    f 2  f    0,7     0,7              (3.24) Sử dụng (3 22) (3.23), khảo sát phân bố quang lực vùng lân cận trục chùm tia laser tác động lên hạt polystyrene nhúng nước Áp dụng cho trường hợp vi thấu kính biến điệu môi trường Ge33As12Se33 hình 3.11 Từ hình 3.11 nhận thấy rằng: i) Trên mặt phẳng giá trị z xác định, quang Hình 3.11 Phân bố quang lực dọc mặt phẳng pha (z,ρ) với tham số: n  4,0 ; M  1,68 1011 m2 / W , Fs  350 106 Hz , a  0, 05  m , Is  8.107 W / m2 , Vs  5500m / s , P0  1105 W d  115 m 15 lực dọc gần không thay đổi theo bán kính hướng tâm, giá trị giảm nhanh mặt phẳng tiến đến tiêu cự ii) Giá trị quang lực dọc lớn vùng khoảng 550 pN Hình 3.12 Phân bố quang lực ngang mặt phăng pha (ρ,z) với tham số: n  4,0 ; M  1,68 1011 m2 / W , Fs  350 106 Hz a  0, 05  m , I s  1,0 104 W / m2 , Vs  5500m / s , P0  1105 W d  6mm Cùng với tham số cho, phân bố quang lực ngang đươc trình bày hình 3.12 Từ hình 3.12 chúng có có nhận xét sau: i) Trong vùng lân cận tiêu điểm, quang lực ngang luôn đối ngẫu không xuất giá trị cực đại Điều hoàn toàn giải thích dựa phân bố cường độ hình 3.6 ii) Trong vùng lân cận trục chùm laser, quang lực ngang đạt giá trị khoảng 1pN Kết luận chương Kết cho thấy với công suất laser khoảng P0  100mW quang lực dọc tác động lên vi cầu polystyrene kích thước a  0, 05  m khoảng 100pN quang lực ngang 20 khoảng 1pN Các giá trị lớn nhiều so với lực Brown ( FBrown  10 N ) Do đó, khẳng định mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang -âm với tham số khảo sát đủ để giam giữ vi cầu 16 CHƯƠNG KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM 4.1 Nguyên lý sàng 2D Theo phương trình (2.13) kết mô phân bố chiết suất mặt phẳng XY môi trường Ge33As12Se33 (hình 4.1), thấy chu kỳ lặp vi thấu kính bước sóng  Tâm vi thấu kính thứ nằm diện tích    tính từ gốc tọa độ (hình 4.2), tức tọa độ:  x1  0,5, y1  0,5    (4.1) Bây thay đổi pha ban Hình 4.1 Vị trí tâm vi thấu kính môi trường Ge33As12Se33 biến điệu sóng âm có bước sóng Λ pha ban đầu φ=0 đầu hai sóng siêu âm    /    / Khi đó, tâm vi thấu kính thay đổi hình 4.3 Tâm vi thấu kính thứ dịch gần tâm Từ hình 4.3, rút vị trí tâm vi thấu kính thứ sau: Hình 4.2 Vị trí vi thấu kính thứ pha ban đầu không (   )   x1  0,375  , y1  0,375       /   x1  0, 250  , y1  0, 250       / 17 (4.2) a) b) Hình 4.3 Vị trí vi thấu kính thứ thất a)    / , b)    / Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm cho mảng kìm quang học biến điệu quang âm sử dụng môi trường tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 với hệ số đáp ứng 11 m2 / W , độ dày môi trường quang - âm d 6mm , vận tốc sóng âm M 1,68 10 Vs 5500m / s sàng mặt phẳng (X,Y) ứng với tiêu cự f 2D khác trình bày hình 4.7 Hình 4.7 Đặc trưng cường độ - tần số cho trình sàng mặt (X,Y)ứng với tiêu cự vi thấu kính f 2D khác 4.3 Nguyên lý sàng 3D Bằng cách thay đổi tần số cường độ sóng âm phù hợp, vi hạt sàng không gian 3D hình 4.9 18 Hình 4.9 Lưới sàng 3D mảng kìm biến điệu quang - âm tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 4.4 Điều kiện công suất laser Trước tiến nhắc lại hai phương trình quang lực dọc ngang sau:           4 nm a  m   P0  z   Fgrd, z (  , z)   z   2   c   m 2 f          0, 7 f 2   z     1   2    0,  f                        (4.7)               2 2     exp   2        f      0,  2         z z      0,   f  1   1         0,  f         0, 7 f                  2       19     8 nm a  m   P0    Fgrd,  (  , z )       2 c m 2 f     z 1     0, 7 f          2 exp       2 z  0,   f  1           0, 7 f                   2   f    z    0,   1          0, 7 f                                                     (4.8) Sử dụng (4.7) khảo sát phụ thuộc công suất laser vào bán kính vi hạt tần số sóng âm trình sàng với quang lực dọc xác định sau: P0, z  Fgrd, z (  ,z) (4.9) MS z đó,           2 4 nm a  m    z   MS z     2 2  c m   f              0, 7 f    z     1   2    0,  f                                 2 2     exp 2       f    0,        z z      0,   f  1   1       0,  f 0, 7 f                2     2    20                      (4.10) Sử dụng (4.8) khảo sát phụ thuộc công suất laser vào bán kính vi hạt tần số sóng âm trình sàng với quang lực ngang xác định sau: P0,   Fgrd,  (  , z ) (4.11) MS đó,                f z       0,   1          0, 7 f                     2   exp             z  0,   f  1             0, 7 f          2          8 nm a  m      MS     2 c  m   4 f     z 1     0, 7 f                         (4.12) Như biết, để vi hạt chịu tác động quang lực môi trường chất lưu, quang lực tác động lên phải lớn lực Brown Đối với polystyrene có kích thước cỡ 20 nanomet nhúng nước, lực Brown vào khoảng FBrown  10 N Dựa vào kết khảo sát hình 3.7 3.8 chương giá trị lực Brown, tìm điều kiện 14 để quang lực dọc ngang lớn giá trị cực tiểu Fmin  110 N , lớn nhiều so với lực Brown Từ điều kiện quang lực từ công thức tính quang lực (3.16) (3.17) có điều kiện cho công suất bơm sau: P0, z  P0,z,min  P0,   P0,  ,min Giá trị công suất Fmin 11014  MS z MS z Fmin 11014   MS  MS  P0,z,min P0,  ,min (4.13) giá trị cực tiểu công suất laser bảo đảm quang lực dọc ngang lớn giá trị tối thiểu 10-14N với tần số kích thước vi 21 hạt Với giả thiết trên, đặc trưng cường độ laser - tần số sóng âm cho quang lực dọc tác động lên vi hạt có kích thước khác trình bày hình 4.10 Hình 4.10 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với bán kính vi hạt khác cho quang lực dọc Fgr , z  11014 N Qua hình 4.10, nhận thấy: i) Cường độ laser cần thiết (P0,z,min) giảm tần số sóng âm cao; ii) Cường độ laser cần thiết lớn kích thước vi hạt nhỏ Để sàng vùng tần số (200÷500) MHz, cường độ laser lớn 0,018 W đủ để tạo quang lực dọc bẫy vi hạt có kích thước lớn 10nm theo trục dọc Hình 4.11 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm 14 với bán kính vi hạt khác cho quang lực ngang Fgr ,   110 N 22 Cùng với các tham số cho trên, đặc trưng cường độ laser tối thiểu - tần số sóng âm cho quang lực ngang tác động lên vi hạt có kích thước khác trình bày hình 4.11 Từ hình 4.11 nhận thấy: i) Cường độ laser cần thiết (P0,ρ, min) giảm tần số sóng âm cao; ii) Cường độ laser cần thiết tăng kích thước vi hạt giảm; iii) Nếu sàng vùng tần số (200÷500) MHz, cường độ laser lớn 2,5W đủ để tạo quang lực ngang đủ bẫy vi hạt có kích thước lớn 10nm theo trục hướng tâm Kết luận chương Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm sử dụng việc dò ban đầu, bẫy điểu khiển gọi chung sàng không gian 3D phương pháp điều khiển tần số pha ban đầu sóng âm Mảng kìm quang học biến điệu quang âm sàng 2D cách điều khiển pha ban đầu sóng âm Mảng kìm quang học biến điệu siêu âm thực sàng 2D 3D điều khiển tần số cường độ sóng âm phù hợp với Trong trình sàng, quang lực tác động lên vi hạt thay đổi Quang lực tác động lên vi hạt lớn lực Brown đạt điều khiển công suất laser phù hợp với tần số kích thước vi hạt cần bẫy, thông qua đường đặc trưng công suất laser -tần số sóng âm, đặc trưng công suất laser- kích thước vi hạt Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm đề xuất với tham số chọn bẫy tất vi hạt có kích thước lớn 10nm sàng vùng tần số lớn 200MHz sử dụng laser công suất trung bình lớn P0,min  2,5W 23 KẾT LUẬN CHUNG - Đã khảo sát ảnh hưởng tham số lên độ số vi thấu kính tìm tham số bảo đảm điều kiện ứng dụng tạo mảng kìm quang học - Đã đề xuất nguyên lý sàng 2D mảng kìm quang học biến điệu quang - âm có khả sàng mặt phẳng 2D - Đã đề xuất nguyên lý sàng 3D với trường hợp lựa chọn Đã khảo sát ảnh hưởng tần số cần sàng kích thước vi hạt cần bẫy vào công suất trung bình laser cần sử dụng cho thỏa mãn lực tác động lên vi hạt lớn 10-14N Đã xác định tham số thiết kế cuối Từ kết trên, rút đóng góp sau: Đã đề xuất mô hình lý thuyết mảng vi thấu kính động môi trường quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu hai sóng âm truyền lan vuông góc với với số mảng, đường kính mở, tiêu cự vi thấu kính thay đổi vùng micromet thay đổi tần số sóng âm vùng (200500)MHz, cường độ thay đổi vùng (1.1033.103)W/m2 Đã phân tích, khảo sát đề xuất cho thực nghiệm mảng kìm quang học sử dụng tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 tinh thể bán dẫn GaAs biến điệu quang âm bẫy điều khiển 2D 3D vi hạt polystyrene có kích thước vùng (105000)nm nhúng nước sử dụng chùm laser có công suất cực đại 2,5W 24 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, Trapping capability of microlens 2D array by acoustic modulation, J of Advances in Physics, Vol.6, No.2, 2014, pp.1072-1078 Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Optical Trap 2D Array by Acoustic Modulation, J of Physical Science and Applications, Vol 4, No 7, 2014, pp.420-425 Nguyễn Văn Thịnh, Mảng kìm quang học tinh thể GaAs biến điệu sóng âm, Nghiên cứu KHCNQS, Số 35, 02-2015, 112-120 Nguyễn Văn Thịnh, Chu Văn Biên, Bùi Xuân Kiên, Nguyễn Mạnh Thắng, Lựa chọn tham số cho mảng kìm quang học thủy tinh biến điệu sóng âm, Nghiên cứu KHCNQS, Số 37, 06-2015, 61-66 Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Luu Mai, Microlens focal length controling for optical tweezer arrays by acousto-optic modulation in germanium, J of Advances in Physics, Vol.9, No.2, 2015, pp 2388-2393 Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, Ultrasonic-Controled Microlens Arrays in Germanium for Optical Tweezers to Sieve the Microparticles, Communications in Physics, Vol.25, No.2, 2015, pp 157-163 25 Công trình hoàn thành Trường Đại học Vinh Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Quang Quý Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Vinh vào hồi ……giờ …… phút, ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm Thông tin - Thư viện Nguyễn Thúc Hào thuộc Trường Đại học Vinh 26 [...]... hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính cơ của Sow [20], cấu tạo của mảng kìm quang- âm sử dụng mảng vi thấu kính động biến điệu quang - âm được đề xuất theo sơ đồ như trong hình Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang - âm 3.1 Nhờ mảng vi... phương pháp điều khiển tần số và pha ban đầu của sóng âm Mảng kìm quang học biến điệu quang âm có thể sàng 2D bằng cách điều khiển pha ban đầu của sóng âm Mảng kìm quang học biến điệu siêu âm cũng có thể thực hiện sàng 2D và 3D bằng điều khiển tần số và cường độ sóng âm phù hợp với nhau Trong quá trình sàng, quang lực tác động lên vi hạt thay đổi Quang lực tác động lên vi hạt lớn hơn lực Brown chỉ có... kìm quang học hay không là vấn đề cần nghiên cứu khảo sát cụ thể Trong chương 3 chúng tôi sẽ đề xuất mô hình kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính động 2D Trên cơ sở mô hình kìm quang học đã đề xuất, khảo sát tìm điều kiện phù hợp cho khẩu độ số và tính toán phân bố quang lực tác động lên vi hạt nhúng trong chất lưu 11 CHƯƠNG 3 ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM 3.1 Đề... 100mW quang lực dọc tác động lên vi cầu polystyrene kích thước a  0, 05  m là khoảng 100pN và quang lực ngang 20 khoảng 1pN Các giá trị này lớn hơn nhiều so với lực Brown ( FBrown  10 N ) Do đó, có thể khẳng định mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang -âm với các tham số đã khảo sát trên đủ để giam giữ các vi cầu 16 CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG. .. hạt được bẫy trong không gian 3D được điều khiển bởi sóng âm do một Hình 3.2 Mảng kìm quang học trong chất nguồn sóng âm áp vào hai mặt bên lưu chứa vi hạt (tương đương với cấu hình cạnh của môi trường quang - âm Sơ sử dụng thấu kính chế tạo sẵn) đồ cấu tạo rút gọn của mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang - âm được trình bày trong hình 3.2 12 3.2 Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính... Quang Quy Ho, Optical Trap 2D Array by Acoustic Modulation, J of Physical Science and Applications, Vol 4, No 7, 2014, pp.420-425 3 Nguyễn Văn Thịnh, Mảng kìm quang học trong tinh thể GaAs biến điệu bằng sóng âm, Nghiên cứu KHCNQS, Số 35, 02-2015, 112-120 4 Nguyễn Văn Thịnh, Chu Văn Biên, Bùi Xuân Kiên, Nguyễn Mạnh Thắng, Lựa chọn tham số cho mảng kìm quang học trong thủy tinh biến điệu bằng sóng âm, ... quang - âm và có thể điều khiển bằng tần số (F s) và cường độ (I s) của sóng âm bằng tín hiệu điện bên ngoài Bằng cách thay đổi tần số sóng âm, chu kỳ lặp, đường kính mở của vi thấu kính thay đổi; đồng thời với thay đổi cường độ sóng âm tiêu cự cũng thay đổi Khi đó, mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm trở thành mảng vi thấu kính động Tuy nhiên, mảng vi thấu kính động 2D này có thể sử dụng cho kìm quang. .. (4.2) a) b) Hình 4.3 Vị trí của vi thấu kính thứ thất a)    / 4 , b)    / 2 Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm cho mảng kìm quang học biến điệu quang âm sử dụng môi trường tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 với hệ số đáp ứng 11 m2 / W , độ dày môi trường quang - âm d 6mm , vận tốc sóng âm M 1,68 10 Vs 5500m / s sàng trong mặt phẳng (X,Y) ứng với tiêu cự f 2D khác nhau được trình bày trong hình 4.7... P0,min  2,5W 23 KẾT LUẬN CHUNG - Đã khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên khẩu độ số của vi thấu kính và tìm bộ tham số bảo đảm điều kiện có thể ứng dụng tạo mảng kìm quang học - Đã đề xuất nguyên lý sàng 2D của mảng kìm quang học biến điệu quang - âm có khả năng sàng trong mặt phẳng 2D - Đã đề xuất nguyên lý sàng 3D với các trường hợp lựa chọn Đã khảo sát ảnh hưởng của tần số cần sàng và kích thước vi... thuyết mảng vi thấu kính động trong môi trường quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu bằng hai sóng âm truyền lan vuông góc với nhau với hằng số mảng, đường kính mở, tiêu cự của vi thấu kính có thể thay đổi trong vùng micromet khi thay đổi tần số sóng âm trong vùng (200500)MHz, cường độ thay đổi trong vùng (1.1033.103)W/m2 2 Đã phân tích, khảo sát và đề xuất cho thực nghiệm một mảng kìm quang học sử dụng ... màng kìm quang học biến điệu quang âm Chương 4: Khảo sát đặc trwung mảng kìm quang học biến điệu quang- âm CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC 1.1 Quang lực Quang. .. ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM 3.1 Đề xuất mô hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm Trên sở nguyên lý hoạt động mảng kìm quang học sử dụng mảng. .. điểm mảng kìm quang học cứng dựa vào hai yếu tố môi trường quang - âm nguồn sóng siêu âm có cường độ lớn, đề xuất mảng kìm quang học động Nội dung nghiên cứu mảng kìm đề cập luận án Mảng kìm quang