Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia laser lên sự ổn định của bẫy quang học sử dụng hai xung gauss ngược chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGUYỄN Q́C DŨNG ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGUYỄN QUỐC DŨNG ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn: PGS TS Hồ Quang Quý VINH, 2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý - người định hướng đề tài, tận tình chu đáo dành nhiều cơng sức để dẫn, giúp đỡ cho tơi nhiều q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn đến : Thầy giáo PGS.TS Đinh Xuân Khoa, TS Đoàn Hoài Sơn , TS Vũ Ngọc Sáu, TS Nguyễn Văn Hóa đóng góp, dẫn cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Vinh, thầy giáo khoa Sau Đại Học, khoa Vật lí tạo điều kiện, giúp đỡ có môi trường học tập nghiên cứu, học tập thuận lợi Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 15-Quang học san sẻ vui, buồn vượt qua khó khăn học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Vinh, tháng 10 năm 2009 Tác giả Nguyễn Quốc Dũng MỤC LỤC Trang Mục lục Mở đầu Chương I BẪY QUANG HỌC 1.1 Photon ………………………………………………………… 1.2 Động lượng photon ……………………………………… 1.3 Chùm Laser Gauss …………………………………………… 1.3.1 Khái niệm chùm Laser Gauss…………… ……………… 11 1.3.2 Biên độ chùm Gauss……………………………………… 12 1.3.3 Bán kính chùm tia ……………………………………… 13 1.4 Xung Gauss …………………………………………… ………… 14 1.4.1 Biên độ xung Gauss……………………………………………… 15 1.4.2 Cường độ xung Gauss…………………………………………… 15 1.5 Quang lực ………………………………………………………… 16 1.5.1 Khái niệm ……………………………………………… 16 1.5.2 Quang lực đơn xung Gauss tác động lên hạt điện môi… 20 1.5.3 Quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác động lên hạt 22 1.6 Cấu hình bẫy quang học ……………………………………… 23 1.6.1 Bẫy chùm Gauss…………………………………… 24 1.6.2 Bẫy hai chùm Gauss liên tục……………………………… 25 1.6.3 Bẫy hai xung Gauss ngược chiều………………………… 26 1.7 Ứng dụng bẫy quang học……………………………………… 26 1.8 Kết luận chương I ………………………………………………… 28 Chương II SỰ ỔN ĐỊNH CỦA HẠT ĐIỆN MÔI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BẪY QUANG HỌC 2.1 Môi trường chứa mẫu ……………………………………… 29 2.2 Các lực tác động lên hạt mẫu …………………………………… 2.2.1 Quang lực gradient………………………………………… 29 29 2.2.2 Lực Brown…………………………………………………… 29 2.2.3 Lực trọng trường …………………………………………… 30 2.2.4 Lực ma sát nhớt……………………………………………… 31 2.2.5 Lực hidrat …………………………………………………… 31 2.2.6 Lực đẩy Acsimet…………………………………………… 31 2.3 Quá trình động học hạt chất lưu, phương trình Lagenvin….31 2.4 Quá trình động học hạt tác động bẫy quang học …… 33 2.5 Các nhân tố ảnh hưởng tới ổn định hạt mẫu…………… 34 2.6 Phương pháp mô ………………………………………… 35 2.7 Kết luận chương II …………………………………………… 36 Chương III ẢNH HUỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC 3.1 Phân bố lượng hai xung Gauss ngược chiều ……… 37 3.1.1 Ảnh hưởng khoảng cách d đến cường độ tổng………… 40 3.1.2 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt w0 đến cường độ tổng…… 41 3.2 Phân bố quang lực bẫy ………………………………………… 42 3.2.1 Phân bố lực Fgrad mặt phẳng pha (ρ,t) ……………… 42 3.2.2 Phân bố lực Fgrad, ρ mặt phẳng pha (z,ρ) ………… 43 3.3 Mơ q trình chuyển động hạt chưa có quang lực tác dụng 44 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mơ ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy ………… 45 3.4.2 Mơ ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt tâm bẫy …… 50 3.5 Kết luận chương III ……………………………………………… 55 Kết luận chung ………………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………… 58 MỞ ĐẦU Bẫy quang học (optical trap) hay kìm quang học (optical tweezer) thiết bị giam giữ đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: hạt điện môi (dielectric nanoparticles), nguyên tử sau bị làm lạnh laser (laser cooling), hồng cầu, tế bào lạ, Nguyên lý hoạt động bẫy quang học dựa tác động quang lực (optical force) lên hạt có kích thước cỡ nanomet Mục tiêu bẫy quang học ổn định đối tượng nghiên cứu Chất lượng bẫy cao độ ổn định cao vùng ổn định lớn thời gian ổn định dài Quá trình ổn định phụ thuộc nhiều điều kiện như: cấu hình bẫy (structure), độ lớn quang lực (magnitude of optical force), độ lớn lực Brown (magnitude of Brown force), nhiệt độ chất lưu (temperature of fluid), … Những vấn đề không đề cập tới sử dụng chùm laser liên tục Tuy nhiên, để nâng cao quang lực, laser xung có công suất lớn áp dụng bẫy quang học vấn đề ổn định theo thời gian cần phải quan tâm nghiên cứu Đây nội dung bỏ ngõ lý thuyết thực nghiệm Hiện nay, có số đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước như: Chế tạo kính hiển vi laser quét đồng tiêu (Viện KHVN) ứng dụng nghiên cứu tế bào lạ, vi khuẩn, ; Nghiên cứu hệ làm lạnh quang từ (ĐH Vinh-Viện Hàn lâm KH Ba Lan) để làm lạnh nguyên tử,…là đề tài cần đến trình ổn định đối tượng nghiên cứu Từ năm 1970, Ashkin, có ý tưởng sử dụng chùm laser để giam giữ hạt có kích thước cỡ micro nano [7] Từ đó đến nhiều công trình nghiên cứu bẫy quang học kìm quang học quan tâm nghiên cứu [8, 9, 10, 11, 15] Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào bẫy quang học sử dụng chùm laser liên tục có quang lực đạt cỡ hàng trăm pN, hay sử dụng xung Gauss có độ rộng xung lớn hiệu suất bẫy không cao, chưa đề cập đến chuyển động nhiệt Brown đối tượng nghiên cứu môi trường (hay chất lưu), chưa quan tâm đến độ lớn vùng ổn định thời gian ổn định, Cho đến năm 2007 nhiều cơng trình giới công bố kết nghiên cứu bẫy quang học, đặc biệt kết sử dụng bẫy quang học nghiên cứu đối tượng sinh, hoá học Sử dụng bẫy quang nghiên cứu bạch cầu hồng cầu trong tế bào sống [17, 19], nghiên cứu hạt vàng nano [10] Từ kết nghiên cứu xuất vấn đề cần đề cập ảnh hưởng lực khác lên đối tượng nghiên cứu gây nên ổn định mẫu Những vấn đề chưa quan tâm nghiên cứu Việt Nam lý thuyết, thực nghiệm ứng dụng Việc chưa có nhóm nghiên cứu quan tâm có thể chưa thấy đối tượng ứng dụng thực tế khó khăn tài thiết bị đại Sau Bộ KHCN có hướng nghiên cứu phát triển thiết bị laser vào nghiên cứu y học, sinh học, đặc biệt kính hiển vi sử dụng laser thiết bị làm lạnh nguyên tử, có ý tưởng nghiên cứu bẫy quang học nhằm hỗ trợ cho thiết bị Trong nghiên cứu gần nhóm tác giả thuộc Viện KH&CNQS Trường ĐH Vinh [13], sử dụng xung Gauss làm đối xứng quang lực bẫy gây nên ổn định nó, đặc biệt quang lực dọc (longitudinal force) Bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều loại trừ tượng không đối xứng lực dọc nâng cao hiệu bẫy quang học Tuy nhiên, vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến trình ổn định mẫu hay ổn định bẫy, đó là: ảnh hưởng quang lực thông qua lượng độ rộng xung laser bơm, ảnh hưởng môi trường chứa mẫu, ảnh hưởng nhiệt độ, ảnh hưởng kích thước, dạng chiết suất mẫu Đây vấn đề cấp thiết, khoa học cập nhật đáng quan tâm nhằm mục đích (ổn định mẫu nghiên cứu) phục vụ cho việc ứng dụng thiết bị Kính hiển vi laser quét đồng tâm (Confocal laser scanning microscopy) Thiết bị làm lạnh quang học (Magneto-optical trap) Bộ KHCN cho phép nghiên cứu hai đề tài nhà nước năm 2009-2010 Vì lí nêu nên chúng tơi chọn đề tài là: “Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên ổn định bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss ngược chiều” Mục tiêu đề tài khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lazer nhằm đưa luận có tính khoa học, phân tích điều kiện để có thể ổn định hạt thủy tinh môi trường nước tác động bẫy quang học cấu tạo từ hai xung Gauss truyền ngược chiều Nội dung luận văn kết nghiên cứu dựa phương pháp lý thuyết mô phỏng: Trên sở lý thuyết tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết chuyển động nhiệt Brown, lý thuyết lực hấp dẫn, … đề tài mơ q trình động học hạt tác động lực tương tác, chủ yếu quang lực lực Brown khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên độ ổn định hạt thủy tinh môi trường nước Bố cục luận văn trình bày ba chương Chương I: Bẫy quang học, giới thiệu số khái niệm photon, quang lực, chùm Gauss, xung Gauss, cấu trúc bẫy quang học số ứng dụng chúng Chương II: Sự ổn định bẫy quang học, trình bày trình động học hạt mơi trường (fluid) thơng qua phương trình Langevin có tham gia lực như: quang lực, lực Brown, trọng lực, đồng thời giới thiệu phương pháp mô cơng cụ tính tốn phần mềm chuyên dụng Chương III: Trình bày số kết khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên trình ổn định hạt thủy tinh bẫy quang học cấu tạo từ hai xung ngược chiều, xây dựng đường đặc trưng mô tả phụ thuộc kích thước vùng ổn định thời gian ổn định vào bán kính mặt thắt chùm tia laser Chương I BẪY QUANG HỌC 1.1 Photon : Vật chất chia thành hai dạng: chất trường Chất bao gồm rắn ,lỏng ,khí plasma Ví dụ trường: Trường hấp dẫn, trường điện từ… Photon loại hạt trường, gọi quang tử, hạt sơ cấp Nó hạt trường điện từ Photon có spin nguyên Theo thuyết lượng tử, hạt có lưỡng tính sóng hạt, photon Sự lan truyền dao động trường điện từ, sóng điện từ, tương đương với di chuyển hạt photon Tia sáng mạnh có nhiều photon, tia sáng yếu có thể gồm vài photon đơn lẻ, có thể đếm máy thu có độ nhạy cao Photon không có khối lượng nghỉ có động lượng Theo lý thuyết tương đối, điều tương đương với việc photon phải chuyển động với tốc độ ánh sáng chân không hệ quy chiếu Năng lượng photon có bước sóng λ là: E = hc/λλ với h số Planck, c tốc độ ánh sáng chân không Theo công thức thuyết tương đối: E2 – p2c2 = mo2c4 đó E lượng hạt, p động lượng hạt, m0 khối lượng nghỉ hạt 1.2 Động lượng photon: Trong dịng tia tới photon có động lượng:    Pin kin kin rin (1.1)   đó,  =h/2  , kin kin vectơ sóng số sóng tương ứng, rin vectơ đơn vị dọc theo đường tia sáng tới (hình 1.1) Tia tới Tia phản xạ Tia truyền qua Hình 1.1 Sự Phản xạ khúc xạ ánh sáng mặt phân cách hai môi trường điện môi Số sóng biểu diễn: kin  2 2 n2   0    rin sin    i  cos    j (1.2) (1.3) đó n1 chiết suất môi trường chứa tia tới, 0 bước sóng chân không Khi đó động lượng tia tới (1.1) trở thành:  hn   Pin   sin    i  cos    j  0 (1.4) ... Chương III ẢNH HUỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC 3.1 Phân bố lượng hai xung Gauss ngược chiều ……… 37 3.1.1 Ảnh hưởng khoảng cách d đến cường độ tổng…………... hạt chưa có quang lực tác dụng 44 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy ………… ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGUYỄN Q́C DŨNG ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN VĂN