Luận văn thạc sĩ điều khiển vi hạt trong không gian ba chều bằng kìm quang âm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THU LOAN ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG KÌM QUANG -ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thái Nguyên-2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THU LOAN ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG KHƠNG GIAN BA CHIỀU BẰNG KÌM QUANG -ÂM Chuyên ngành: Quang học Mã số: 844.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Mạnh Thắng Thái Nguyên-2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Mạnh Thắng Các kết luận văn trung thực chưa có luận văn khác Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Loan I LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Mạnh Thắng, người Thầy hướng dẫn tận tình động viên thân tơi q trình nghiên cứu thực luận văn với tinh thần đầy trách nhiệm Thầy giúp nâng cao kiến thức, nghị lực, phát huy sáng tạo hồn thành tốt luận văn Tơi xin cảm ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ giáo khoa Vật lý Trường Đại học Thái Nguyên - Đại học Khoa học đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung luận văn, tạo điều kiện tốt cho thời gian học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp quan tâm, động viên giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn II MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Quang lực…………………………………………………………… ….3 1.2 Bẫy quang học…………………………………………………… …….8 1.3 Kìm quang học (KQH) 1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder 1.3.2 KQH theo nguyên lý khúc xạ quang- âm 10 1.3.3 KQH kết hợp nguyên lý quang-âm quay Galvo 11 1.3.4 KQH theo nguyên lý kết hợp thông minh 12 1.3.5 KQH phi tuyến 13 1.4 Kết luận 15 Chương 2:CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG-ÂM 16 2.1 Biến điệu quang âm 16 2.2 Cấu hình mảng vi thấu kính biến điệu quang âm 18 2.3 Cấu hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang-âm24 2.3.1 Mơ hình 24 2.3.2 Tiêu cự vi thấu kính 26 2.3.3 Điều kiện độ số vi thấu kính 26 2.3.4 Phân bố cường độ laser tiêu diện vi thấu kính 27 2.3.5 Quang lực gradient dọc ngang 31 2.4 Kết luận 36 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN VI HẠT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ SÓNG ÂM378 3.1 Gán nhãn cho kìm đơn 378 3.2 Tọa độ hạt bẫy không gian 389 3.3 Mô quỹ đạo hạt bẫy trình điều khiển 40 3.3.1 Điều khiển vi hạt phương pháp quản lý pha ban đầu .40 3.3.2 Điều khiển vi hạt phương pháp quản lý tần số 42 3.4 Kết luận 46 KẾT LUẬN CHUNG 478 Một phần kết nghiên cứu công bố công trình 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 4950 III Ký hiệu thuật ngữ viết tắt Viết tắt ICOT AOD NA IOT Ký hiệu F , Fgrad , F tx Fs I, I0 Is M N NA P, P0 S0 Vs c d F fa f, f1, f2 K m n, nh, nm P R T w, w0 z0 Λ α Ω Λ ℏ φx , φy V DANH MỤC CÁC HÌNH Hình vẽ Hình 1.1 Xung lượng lực phản xạ Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí hạt tương tiêu điểm Hình 1.3 Lực gradient chùm Gauss Hình 1.4 Chùm Gauss bẫy hạt Hình 1.5 Cấu hình tối thiểu bẫy quang học Hình 1.6 Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý IOT Hình 1.8 Kìm quang học AOD Hình 1.9 Kìm quang học sử dụng quét tia Galvo Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo ICOT Hình 1.11 Kìm quang học phi tuyến ứng dụng điều khiển 3D Hình 1.12 Sự phụ thuộc vị trí cân dọc trục vào cơng suất laser Hình 2.1 Phân bố chiết suất VLQA Hình 2.2 Khúc xạ Bragg tạo sóng âm mơi trường quang-âm Hình 2.3 Cấu tạo biến điệu quang - âm hai sóng âm nhìn từ xuống theo trục z Hình 2.4 Phân bố chiết suất tinh thể Ge33As12Se33 mặt phẳng (X,Y) VI − ) ] V − 1)] S FS V S F S 38 Từ hệ phương trình (3.3) thấy rằng, mảng kìm quang-âm thiết kế, thơng số thiết kế tọa độ vi hạt bẫy phụ thuộc vào cường độ ϕ sóng âm Hình 3.2 Vị trí vi hạt bẫy khơng gian chất lưu Dựa vào hệ phương trình (3.3) đề xuất phương án điều khiển vi hạt không gian chất lưu sau: Điều khiển vi hạt chuyển động theo đường thẳng tiêu diện (2D) chùm laser cách thay đổi pha ban đầu giữ nguyên tần số cường độ sóng âm; Điều khiển vi hạt chuyển động theo đường thẳng tiêu diện chùm laser cách thay đổi tần số, giữ nguyên pha ban đầu tích I CONST F2 = ;SS Điều khiển vi hạt chuyển động quỹ đạo cong không gian chất lưu (3D) cách thay đổi tần số giữ nguyên cường độ pha ban đầu sóng âm; Điều khiển vi hạt chuyển động dọc trục chùm tia laser (1D) thay đổi cường độ laser giữ nguyên tần số pha ban đầu sóng âm 39 Bốn khả điểm bật so với phương pháp trước phải thay đổi hai thơng số, hệ Galvo quang, thay đổi khoảng cách linh kiện quang [4-6] hay thay đổi cường độ hai laser [7] 3.3 Mô quỹ đạo hạt bẫy q trình điều khiển Nhằm mục đích áp dụng nghiên cứu vào thực tế, khảo sát số quỹ đạo vi hạt cụ thể bẫy điều khiển mảng kìm quang-âm cụ thể Trên sở liệu thực nghiệm, giả thiết mảng bẫy quang-âm thiết kế tinh thể vơ định hình Ge33As12Se33 [11] Các thơng số công nghệ vật S liệu sau: liệu trở thành mảng vi thấu kính sau biến điệu, chọn độ dày vật liệu D = ×10−4 M cho điều kiện thấu kính mỏng thỏa mãn [17] Lớp vật liệu mỏng biến điệu nguồn sóng âm có cường độ I = 8.0×107W / M2 S tinh chỉnh cho pha ban đầu trước truyền qua vật liệu điều chỉnh khoảng ϕ = − 0.2π ÷ Bằng cách điều khiển tín hiệu điện cấp cho tần số nguồn sóng âm thay đổi khoảng F = (200 ÷ 400)MHZ S 3.3.1 Điều khiển vi hạt phương pháp quản lý pha ban đầu Trước tiên, tinh chỉnh cho pha ban đầu sóng âm tần số 400MHz thay đổi khoảng ϕ = − 0.2π ÷ Kết tính số cho ta phụ thuộc tọa độ x (y) z vi hạt bẫy bốn kìm đơn T ij (i=j=1 4) nằm đường chéo trình bày hình 3.3 Các đường thẳng hình 3.3 cho thấy ban đầu đặt giá trị pha ban đầu không ϕ=0 vi hạt bẫy kìm đơn T 11 nằm tọa độ (6µm, 6µm,9,1µm), giảm pha ban đầu xuống giá trị chuyển đến vị trí (20µm, 20µm,9,1µm) 40 ϕ = −0.2π , Hình 3.3 Thay đổi tọa độ vi hạt (x, y,z) thay đổi pha ban đầu ϕ = − 0.2π ÷ [23] ( initial phase: pha ban đầu) Tương tự vậy, vị hạt bẫy kìm đơn khác chuyển động quỹ đạo đường thẳng nối hai điềm đầu cuối, cụ thể: T11 ⇒ (6µM; 6µM;9,1µM) ⇔ (20µM; 20µM;9,1µM) T22 ⇒ (19, 75µM;19, 75µM;9,1µM) ⇔ (33, 75µM;33, 75µM;9,1µM) T33 ⇒ (33, 50µM;33, 50µM;9,1µM) ⇔ (47, 50µM; 47, 50µM;9,1µM) T44 ⇒(47, 25µM; 47, 25µM;9,1µM) ⇔ (61, 25µM; 61, 25µM;9,1µM) Các vi hạt bẫy kìm đơn khơng nằm đường chéo có quỹ đạo khác với điểm đầu điểm cuối khác trình bày hình 3.4 41 Hình 3.4 Quỹ đạo vi hạt điều khiển kìm đơn không nằm đường chéo [16] 3.3.2 Điều khiển vi hạt phương pháp quản lý tần số Bây cố định cường độ pha ban đầu sóng âm tương ứng = 8.0×107W / M2 ϕ = Tần số sóng âm điều chỉnh liên tục từ 400MHz xuống I S 200MHz khảo sát thay đổi vị trí vi hạt bẫy kìm đơn T 11 Trên hình 3.5 phụ thuộc tọa độ (x=y, z) vi hạt vào tần số sóng âm Từ hình 3.5 xác định vị trí vi hạt khơng gian 3D chất lưu biết tần số sóng âm Ví dụ, tần số sóng âm cố định giá trị 275 MHz, khẳng định vi hạt giam giữ tọa độ (x,y,z)≡(10µm,10µm,18µm) (chấm xanh Hình 3.5) 42 Hình 3.5 Phụ thuộc tọa độ vi hạt vào tần số sóng âm.[16] Khi thay đổi tần số liên tục, quỹ đạo vi hạt bẫy kìm đơn T11 khơng gian 3D trình bày hình 3.6 Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động vi hạt bẫy kìm đơn T11[16] Như vậy, thay đổi tần số từ 400 MHz xuống 200MHz, vi hạt bẫy kìm đơn T11 chuyển dịch từ vị trí ban đầu (6.8µm, 6.8µm,8µm) đến vị trí cuối 43 (13.7µm, 13.7µm,37µm) chất lưu Q trình xẩy tương tự vi hạt bẫy kìm đơn khác Trong hình 3.7 quỹ đạo bốn vi hạt bẫy điều khiển bốn kìm đơn T11, T22, T33 T44 Hình 3.7 Quỹ đạo vi hạt bẫy điều khiển kìm đơn T ij (i=j) thay đổi tần số từ 400 MHz xuống 200 MHz [16] Như vậy, cách thay đổi tần số, vi hạt bẫy điều khiển đơn kìm khác chuyển dịch quỹ đạo khác không gian 3D chất lưu Với thơng số thiết kế xác định, vị trí vi hạt xác định không gian Đây xem ưu điểm giúp cho trình thực nghiệm điều khiển tác động lên vi hạt trình nghiên cứu Sau ví dụ quãng đường dịch chuyển vi hạt phụ thuộc vào tần số (Hình 3.9) 44 Hình 3.8 Quỹ đạo vi hạt bẫy điều khiển đơn kìm T 1j=1 Ti=1 41 thay đổi tần số từ 400MHz xuống 200MHz [16] 40 35 chuye n (µ m) 30 duongdic h 25 15 Quang 20 10 200 Tan so (MHz) Hình 3.9 Sự phụ thuộc quãng đường dịch chuyển vi hạt bẫy đơn kìm vào tần số [17] Từ hình 3.9 khẳng định, phân tử ADN gắn với hai vi hạt hai đầu [17], vi hạt neo cố định vi hạt điều khiển đơn kìm (hình nhỏ bên phải Hình 3.9) chiều dài căng thay 45 đổi từ đến 39 µm Như vậy, kìm quang-âm ứng dụng để khảo sát độ căng cho phân tử ADN có chiều dài căng tổng nhỏ 39µm [18, 19] Kết luận Trên sở cấu hình kìm quang-âm đề xuất, hệ phương trình mơ tả vị trí ổn định vi hạt bẫy kìm đơn mảng kìm quang-âm trình bày Sử dụng số liệu thực nghiệm công bố công trình trước đây, quỹ đạo vi hạt bẫy không gian 2D, 3D chất lưu khảo sát số Kết gợi ý tốt cho trình ứng dụng mảng kìm quang-âm điều khiển vi hạt Cũng khẳng định thêm, kết nghiên cứu tăng thêm niềm tin điều khiển vi hạt khơng gian 3D yếu tố tinh chỉnh tần số sóng âm, sử dụng kìm quang-âm 46 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn trình bày tổng quan số kìm quang học ứng với phương pháp điều khiển vi hạt khơng gian Qua phân tích thấy muốn điều khiển vi hạt cần đến hai yếu tố cơ-quang, điện-quang, quang-quang, quang-âm Trong số kìm quang học đó, mảng kìm quang-âm sử dụng để điều khiển vi hạt yếu tố pha ban đầu tần số sóng âm Trên sở cấu hình nguyên lý hoạt động mảng kìm quang âm, trình điều khiển vi hạt tham số thiết kế nghiên cứu khảo sát số Kết thu rút gọn sau: Đưa hệ phương trình mơ tả phụ thuộc vị trí vi hạt bẫy không gian chất lưu vào thông số thiết kế Đã khảo sát quỹ đạo vi hạt không gian 2D chất lưu thay đổi pha ban đầu sóng âm giữ nguyên cường độ tần số sóng âm, từ rút rằng, quỹ đạo vi hạt đường thẳng nằm tiêu diện chùm laser vi hạt bẫy đơn kìm khác dịch chuyển độc lập Đã khảo sát quỹ đạo vi hạt không gian 3D chất lưu thay đổi tần số giữ nguyên cường độ pha ban đầu sóng âm, từ cho thấy quỹ đạo khơng cịn đường thẳng mà đường cong Từ khẳng định rằng, với tần số xác định hay thông số thiết kế kìm xác định trước, vị trí vi hạt chất lưu xác định khoảng cách dịch chuyển vi hạt chất lưu xác định chênh lệch tần số sóng âm biết trước Các kết nghiên cứu gợi ý bổ ích cho thực nghiệm kiểm chứng vị trí vi hạt không gian áp dụng kéo căng phân tử ADN nghiên cứu sinh học 47 Một phần kết nghiên cứu cơng bố cơng trình [16] Nguyen Thu Loan, Nguyen Manh Thang, Nguyen Van Thinh, Thai Doan Thanh, Ho Quang Quy, Control the trapped particles in Acousto-optical th tweezers by acoustic frequency, Proc ASEAN , Publ House for Science and Technology (2018),ISBN: 978-604-913-714-3, 143-148 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ashkin, A.: Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure Phys Rev Lett 24, 156-159 (1970) Honglian, Y.,Xincheng, Y., Zhaolin, L., Bingying, C., Xuehai, H.,Daozhong Z (2013): Measurements of displacemant and trapping force on micro-sized particles in optical tweezer system Science in China 45, 919- 925 E R Dufresne and D G Grier (1998), Optical tweezer arrays and optical substrates created with diffractive optics, Rev of Scient Instruments, 69,1974-1977 European Network of Excellence for Biophotonics, Networking for Better Health Care, http://WWW.Photonics4life.eu/lavout/set/Consortium/P4LDB/All-items/ (2014) Singer, W., Bernet, S., Ritsch-Marte, M.: 3D-force calibration of optical tweezers for mechanical stimulation of surfactant-releasing lung cells Laser Phys 11, 1217–1223 (2001) Y Tanaka, H Kawada, S Tsutsui, M Ishikawa, H Kitajima (2009), “Dynamic micro-bead arrays using optical tweezers combined with intelligent control techniques,” Opt Express 17, 24102-24111 Thai Dinh, T., Doan Quoc, K., Bui Xuan, K., Ho Quang, Q., 3D controlling the bead linking to DNA molecule in a single-beam nonlinear optical tweezers, Opt Quant Electron.48 (2016) 561 Thinh N V., Quy H Q., Optical Trap 2D Array by Acoustic Modulation, J of Physical Science and Applications, Vol 4, (2014), 420-425 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 10 Hồ Quang Q, Đồn Hồi Sơn, Chu Văn Lanh, Nhập mơn bẫy quang học, NXB ĐHQG Hà Nội, 2011 11 Nguyễn Văn Thịnh, Mảng kìm quang học biến điệu quang âm, LA TS, Vinh University, 2017 49 12 Hoàng Văn Nam, Phân bố lực khơng gian kìm quang học Kerr sử dụng chùm tia laser Gauss Viện KH-CNQS: LATS, 2015 13 Thai Dinh Trung, Bui Xuan Kien, Nguyen Thanh Tung, Ho Quang Quy, Dynamics of polystyrene beads linking to DNA molecules under single optical tweezers: A numerical study using full normalized Langevin equation, J of Nonlinear Optical Physics & Materials 25, No (2016) 1650054 14 Beck, M.M de Lima, and P.V Santos, Acousto-optical multiple interference devices, J Of Appl Physics 103, 014505-1-7 (2008) 15 E A Saleh, and M.C Teich, Fundamentals of Photonics, A Wiley- Interscience Publication, 1991 16 Nguyen Thu Loan, Nguyen Manh Thang, Nguyen Van Thinh, Thai Doan Thanh, Ho Quang Quy, Control the trapped particles in Acousto-optical th tweezers by acoustic frequency, Proc ASEAN , Publ House for Science and Technology (2018),ISBN: 978-604-913-714-3, 143-148 17 Thanh Thai Doan, Khoa Doan Quoc, Quy Ho Quang, Acousto-optical tweezers for stretch of DNA molecule, Opt Quant Electron (2018) 50:51 18 C G Baumann, V A Bloomfield, S B Smith,C Bustamante,M D Wang,and S M Block, Stretching of Single Collapsed DNA Molecules, Biophysical Journal, 78 (2000) 1965–1978 19 G Sitters, D Kamsma, G Thalhammer, M Ritsch-Marte, E.J G Peterman, and G.J L Wuite, Acoustic force spectroscopy, Nature Methods 12, (2015) 47–50 50 ... lý thuyết kìm quang- âm phương pháp điều khiển vi hạt kìm quang- âm, cụ thể thay đổi pha ban đầu tần số sóng âm Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận văn cấu trúc ba chương... ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THU LOAN ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG KÌM QUANG -ÂM Chuyên ngành: Quang học Mã số: 844.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS... cứu Khẳng định sử dụng kìm quang- âm điều khiển vi hạt không gian cách thay đổi tinh tế tham số sóng âm Nội dung nghiên cứu Tổng quan kìm quang học phương pháp điều khiển vi hạt, tập trung nghiên