Khảo sát vùng ổn định và độ bền của kìm quang học luận văn thạc sỹ vật lí

Luận văn, khóa luận, tiểu luận, báo cáo, đề tài

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN MẬU QUYẾT KHẢO SÁT VÙNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA KÌM QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Vinh, năm 2012 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN MẬU QUYẾT KHẢO SÁT VÙNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA KÌM QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: Vinh, năm 2012 MỤC LỤC TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 65 3 MỞ ĐẦU Kìm quang học (optical tweezer) là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử như: các hạt điện môi (dielectric nanoparticles), các nguyên tử sau khi đã bị làm lạnh bằng laser, hồng cầu, các tế bào lạ,… Nguyên lý hoạt động của kìm quang học dựa trên sự tác động của quang lực lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Mục tiêu của kìm quang học là ổn định được đối tượng nghiên cứu. Chất lượng của kìm càng cao khi độ ổn định càng cao và vùng ổn định không - thời gian lớn. Đã có nhiều công trình công bố kết quả nghiên cứu về kìm quang học. Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ tập trung vào việc tìm cách giam giữ các hạt mà chưa quan tâm đến việc không – thời gian giam giữ các hạt, cũng như sự ổn định sau khi bẫy. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài luận văn: “Khảo sát vùng ổn định và độ bền của kìm quang học”. Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của luận văn được trình bày trong hai chương: Chương 1. Tổng quan về kìm quang học Chương 2. Khảo sát vùng ổn định và độ bền của kìm quang học 4 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC 1.1. Kìm quang học 1.1.1. Kìm quang học là gì Một chùm tia laser được hội tụ bởi một hệ quang có khẩu độ số lớn có thể bẫy được các hạt điện môi (vi cầu) ở gần tiêu điểm. Một thiết bị như vậy được gọi là kìm quang học. Kìm quang học được sử dụng rộng rãi trong vật lý và sinh học. Kìm quang học được sử dụng để giữ và nghiên cứu các vi cầu hoặc các phân tử vĩ mô như DNA và RNA, thậm chí áp dụng cho các tế bào sống. 1.1.2. Mô tả chung về kìm quang học Kìm quang học có thể kéo các hạt điện môi có kích thước cỡ na nô hoặc micrô bằng lực cực nhỏ sinh ra do chùm tia laser hội tụ mạnh. Chùm tia laser thông thường được hội tự bằng cách chiếu vào một hệ quang học. Hình 1.1.1 mô tả hoạt động của kìm quang học. Điểm hẹp nhất của chùm tia hội tụ gọi là mặt thắt. Tại đây gradient điện trường rất lớn. Điều này làm cho các hạt điện môi bị hút theo gradient vào Hình 1.1.1. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của kìm sử dụng một chùm tia. Tâm bẫy x k bẫy F=x.k bẫy Chùm laser Thấu kính Mặt thắt 5 vùng có điện trường lớn nhất. Vùng điện trường lớn nhất chính là tâm của chùm tia. Chùm laser cũng có xu thế trao cho hạt điện môi một lực dọc theo chiều truyền lan. Điều này rất dễ hiểu nếu bạn tưởng tượng rằng ánh sáng là tập hợp các hạt siêu nhỏ. Mỗi hạt này lại va chạm với một hạt điện môi siêu nhỏ trên quang trình của nó. Lực va chạm này gọi là lực tán xạ. Lưc tán xạ này sẽ đẩy hạt điện môi đi xa mặt thắt một khoảng nhỏ như ta thấy trên hình 1.1.1. Kìm quang học là thiết bị rất nhậy và có thể giữ và ghi nhận được độ chuyển vị rất nhỏ của các hạt siêu nhỏ. Vì lý do đó mà kìm quang học thường được sử dụng để giữ và nghiên cứu các đơn phân tử bằng cách cho tương tác với các hạt có xu thế liên kết với các phân tử này. DNA, protein hay enzym rất dễ tương tác với ánh sáng laser. Đối với các thiết bị khoa học có chất lượng cao thì kìm quang học phải hoạt động sao cho các hạt điện môi rất ít chuyển động ra xa tâm bẫy. Nguyên nhân của đòi hỏi này chính là do lực tác động lên hạt tỉ lệ thuận với độ chuyển vị tính từ tâm bẫy cho đến khi độ chuyển vị này rất nhỏ. Xét trên phương diện này thì kìm quang học có thể so sánh với một lò xo đơn giản hoạt động theo định luật Hooke. Lý thuyết giải thích một cách chi tiết và đúng đắn tính chất của kìm phụ thuộc vào mức độ so sánh giữa kích thước hạt và bước sóng của laser sử dụng. Trong trường hợp kích thước hạt lớn hơn bước sóng laser, sử dụng chế độ quang hình để giải thích là hiệu quả nhất. Trong trường hợp khác, khi kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng thì hạt phải được xem như một lưỡng cực điện năm trong một điện trường và do đó sử dụng chế độ Rayleigh là hiệu quả hơn 1.1.3. Các thành phần chính của kìm quang học Muốn một kìm quang học hoạt động được một cách cơ bản, các chi tiết sau đây cần phải trang bị và lắp đặt (hình 1.1.2). 6 • Laser. Thông thường sử dụng laser Nd :YAG với bước sóng cỡ 1000 nm. Đây là bước sóng trong suốt đối với các mẫu sinh học. Nhờ đó mà các mẫu sinh học không hấp thụ hoặc hấp thụ rất yếu nên chúng không bị phá hỏng do laser. Cũng có thể sử dụng một số laser khác như laser bán dẫn công suất cao có bước sóng trong vùng lân cận 1000 nm. • Hệ mở rộng chùm tia. Hệ quang học có khả năng mở rộng chùm tia có tác dụng giảm góc phân kỳ và tăng vết chùm tia trước khi hội tụ. Cùng với hệ mở rộng chùm tia là một số hệ quang học khác như kính hiển vi, bộ góp có mục đích lái tia laser (vết laser) vào vị trí mẫu. • Điều quan trọng nhất cần lưu ý trong quá trình thiết kế kìm quang học là tìm kính vật. Một kìm quang học làm việc ổn định cần có lực gradient. Lực này phải lớn hơn lực tán xạ. Lực gradient phụ thuộc nhiều vào khẩu độ số NA của kính vật. Do đó, có thể chỉnh lực gradient bằng cách chỉnh khẩu độ số NA (hình 1.1.3). Kính vật phù Hình 1.1.2. Sơ đồ chi tiết cơ bản của kìm quang học. 7 hợp nhất cho kìm quang học phải có khẩu độ số nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,4. • Thiết bị dò vị trí của hạt được thiết kế dựa trên photodiode quadrant (bốn mắt). Nhờ photodiode này mà chúng ta ghi nhận được vết của hạt trên mặt mẫu (xem hình 1.1.4 ). • Việc quan sát mặt phẳng mẫu được thực hiện nhờ một nguồn sáng khác. Nguồn sáng này cùng chung quang trình với nguồn laser bẫy. Bằng các bản chia lưỡng sắc nguồn sáng này sau khi đi qua mẫu sẽ được hội tụ vào camera CCD. Nhờ hệ thống này mà hạt luôn luôn được theo dõi và quan sát. 1.1.4. Kìm quang học sử dụng các mode laser bất kỳ Kìm quang học sử dụng chùm tia laser dạng Gaussian TEM 00 có ưu điểm nhất. Song, một số dạng chùm tia khác cũng đã được sử dụng để thiết kế kìm quang học. Ví dụ : NA=nsinθ θ n Hình1.1.3. Khẩu độ số của thấu kính hội tụ. Hình 1.1.4. Ảnh dò hạt. 8 • Chùm tia Hermite-Gaussian (TEM xy ); • Chùm tia Laguerre-Gaussian (LG); • Chùm tia Bessel. Kìm quang học trên cơ sở chùm tia Laguerre-Gaussian có khả năng khác nhau khi bẫy các hạt hấp thụ và phản xạ. Chùm Laguerre-Gaussian cũng có xung lượng góc do đó có thể quay các hạt. Điều này làm cho cấu trúc kìm phức tạp hơn nếu không có bộ lái tia cơ học hoặc điện ngoài. Chùm tia Bessel bậc không hoặc bậc cao cũng có khả năng bẫy nhau. Chúng có thể bẫy và quay hạt nhiều thành phần mà khoảng cách giữa các thành phần cỡ milimét. 1.1.5. Kìm quang học kết hợp Thông thường kìm quang học sử dụng một laser. Kìm quang học có thể hoạt động phức tạp hơn: • Có thể chia một chùm tia theo thời gian cho nhiều kìm khác nhau; • Hoặc sử dụng bản chia quang để chia chùm tia cho nhiều kìm khác nhau. Nhờ thiết bị quang âm hoặc gương lái tia galvanomet có thể chia một chùm tia đơn cho hàng trăm kìm nằm trên mặt phẳng tiêu (hình 1.1.5). Nhờ các thiết 9 Hình 1.1.5. Một kiểu kìm kết hợp. bị chia quang cũng có thể mở rộng chùm tia cho kìm quang học một chiều. Đặc biệt các linh kiện tán sắc có thể chia một chùm tia đơn cho hàng trăm kìm trong cấu trúc ba chiều. 1.1.6. Kìm quang học trên cơ sở sợi quang Kìm quang học sợi cũng có nguyên lý hoạt động như kìm quang học mà ta đã nghiên cứu, nhưng nguồn laser phải truyền qua sợi quang. Nếu một đầu của sợi quang được vuốt nhỏ như một thấu kính thì chùm tia laser vẫn được hội tụ. Như vậy, chùm tia laser ở đầu ra sợi quang vẫn có gradient cường độ (hình 1.1.6a). Trong trường hợp ngược lại, khi đầu ra của sợi quang không giống thấu kính, chùm laser ra sẽ bị phân kỳ. Trong trường hợp này kìm hoạt động ổn định chỉ khi có sự cân bằng giữa lực gradient và lực tán xạ từ hai đầu sợi quang ngược chiều (hình 1.1.6b). Lực gradient sẽ bẫy hạt theo phương nằm ngang, trong khi đó quang lực do lực tán xạ do hai chùm tia ngược chiều phát ra từ hai đàu của sợi quang. Hạt sẽ cân bằng tại điểm Z khi hai lực tán xạ cân bằng nhau. Bộ liên kết 3dB Hình 1.1.6. Mô tả kìm sợi quang. (a) Kìm hội tụ. (b) Kìm tán xạ. (a) (b) 10