Ảnh hưởng của kích thước hạt điện môi lên độ ổn định của bẫy quang học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  PHAN SĨ CHÂU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT ĐIỆN MƠI LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Vinh - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  PHAN SĨ CHÂU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT ĐIỆN MƠI LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC 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 Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Hồ Quang Quý, người giúp định hướng đề tài Thầy tận tình, chu đáo dành nhiều cơng sức dẫn cho tơi q trình học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lý, thầy giáo: TS Vũ Ngọc Sáu, PGS TS Đinh Xuân Khoa, PGS.TS Nguyễn Huy Cơng, TS.Nguyễn Văn Hóa thầy chuyên ngành Quang học trường Đại học Vinh giảng dạy dẫn cho tơi suốt q trình học tập Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 15-Quang học trường Đại học Vinh san sẻ vui, buồn tơi vượt qua khó khăn học tập Với tình cảm chân thành, tơi xin gửi tới gia đình, người thân yêu bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập hồn thành luận văn Vinh, tháng 11 năm 2009 Tác giả Phan Sĩ Châu MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mở đầu Chương Bẫy quang học 1.1 Photon - xung lượng photon 1.2 Tương tác photon với vật thể 1.3 Chùm laser Gauss xung laser Gauss 10 1.3.1 Chùm laser Gauss 10 1.3.2 Xung laser Gauss 14 Quang lực xung laser Gauss tác dụng lên hạt điện môi 16 1.4.1 Quang lực đơn xung Gauss tác dụng lên hạt điện môi 16 1.4 1.4.2 Quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi 1.5 17 20 1.5.1 Bẫy quang học chùm tia Gauss 21 1.5.2 Bẫy quang học hai chùm tia Gauss liên tục 22 1.5.3 Bẫy quang học hai xung Gauss ngược chiều 23 Ứng dụng bẫy quang học 24 Kết luận 1.6 Cấu hình tối thiểu bẫy quang học 26 Chương Sự ổn định bẫy quang học 27 2.1 Môi trường chứa hạt mẫu 27 2.2 Các lực tác động lên hạt mẫu chất lưu 27 2.3 Quá trình động lực học hạt chất lưu, phương trình Langevin 28 2.4 Quá trình động lực học hạt tác động bẫy quang học 29 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định bẫy quang học 29 2.6 Phương pháp mô 32 Kết luận Chương 34 Ảnh hưởng kích thước hạt điện môi lên độ ổn định bẫy quang học 3.1 35 Khảo sát phân bố cường độ tổng hai xung Gauss ngược chiều 3.1.1 Ảnh hưởng khoảng d đến cường độ tổng 36 3.1.2 Ảnh hưởng mặt thắt w0 đến cường độ tổng 3.2 36 37 Khảo sát quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt mẫu 38 3.2.1 Phân bố quang lực Fgrad,ρ mặt phẳng pha (ρ,t) 3.2.2 Phân bố quang lực Fgrad, ρ mặt phẳng pha (z,ρ) 39 3.2.3 Phân bố quang lực Fz mặt phẳng pha (z,t) 42 3.2.4 Phân bố quang lực dọc Fz mặt phẳng pha (z,ρ) 3.3 38 44 Ảnh hưởng kích thước hạt điện mơi lên độ ổn định bẫy quang học 45 3.3.1 Ảnh hưởng kích thước hạt biên vùng bẫy 47 3.3.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tâm vùng bẫy 50 3.3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt ngồi biên vùng bẫy 53 Kết luận 55 Kết luận chung 56 Các cơng trình nghiên cứu cơng bố 57 Tài liệu tham khảo 58 MỞ ĐẦU Năm 1970, Ashkin người có ý tưởng sử dụng chùm laser để giam giữ hạt hình cầu có kích thước cỡ micro nano [10], thắng trọng lực vùng phân kỳ chùm laser Thuật ngữ bẫy quang học, hay kìm quang học đời Trong nghiên cứu bẫy quang học, ông sử dụng định luật bảo tồn động lượng lượng để giải thích tương tác photon lên hạt điện môi nhỏ, kết photon truyền phần động lượng cho hạt hay nói cách khác photon tác dụng quang lực lên hạt Từ đến nhiều cơng trình nghiên cứu bẫy quang học kìm quang học quan tâm nghiên cứu [24, 26, 27] Bẫy quang học hay kìm quang học thiết bị giam giữ đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: hạt điện môi, nguyên tử sau bị làm lạnh laser, hồng cầu, tế bào lạ, Nguyên lý hoạt động bẫy quang học dựa tác động quang lực lên hạt có kích thước cỡ nanomet Mục tiêu bẫy quang học ổn định đối tượng nghiên cứu Chất lượng bẫy cao vùng khơng gian ổn định nhỏ cịn thời gian ổn định dài Quá trình ổn định phụ thuộc nhiều điều kiện như: cấu hình bẫy, độ lớn quang lực, độ lớn lực Brown, độ lớn kích thước hạt, chiết suất hạt, nhiệt độ chất lưu, độ nhớt chất lưu, tác động lực hấp dẫn, … Những vấn đề không đề cập tới sử dụng chùm laser liên tục bẫy quang học Để nâng cao quang lực, laser xung có cơng suất lớn áp dụng bẫy quang học vấn đề ổn định theo thời gian cần phải quan tâm nghiên cứu Đây nội dung mà quan tâm hai phương diện lý thuyết thực nghiệm 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 học nghiên cứu bạch cầu hồng cầu trong tế bào sống [13], nghiên cứu hạt vàng nano [33], đo kích thước hạt cỡ micromet [30] Từ kết nghiên cứu trên, xuất vấn đề cần đề cập ảnh hưởng lực khác lên đối tượng nghiên cứu gây nên ổn định mẫu Mới Volpe cộng nghiên cứu chuyển động Brown môi trường tác động trường lực không đồng trường quang [17] Tuy nhiên chưa đề cập đến việc ứng dụng kết vào trình ổn định bẫy quang học Ở Việt Nam, nghiên cứu gần nhóm tác giả Hồ Quang Quý Mai Văn Lưu [5] nêu khả thu hẹp vùng ổn định bẫy quang học Tuy nhiên, vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến trình ổn định mẫu hay ổn định bẫy, 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 Thiết bị làm lạnh quang học Bộ khoa học công nghệ Việt Nam cho phép nghiên cứu hai đề tài nhà nước năm 2009-2010 [7] Như nói trên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình ổn định hạt mẫu, có kích thước hạt, cuối quan hệ kích thước hạt với tham số khác bẫy môi trường Vấn đề đặt là: "Một bẫy quang học sử dụng nguồn laser xung định dùng để bẫy cho tất hạt có kích thước khác nhau, mơi trường khác hay không ? Nếu sử dụng bẫy cho tất hạt độ ổn định bẫy đến đâu?" Vì vậy, tham gia vào nghiên cứu định chọn đề tài: “Ảnh hưởng kích thước hạt điện mơi lên độ ổn định bẫy quang học ” Dựa 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 lượng toàn phần xung laser lên độ ổn định hạt thủy tinh môi trường nước Từ đưa luận có tính khoa học, phân tích điều kiện, chủ yếu kích thước hạt thủy tinh, để ổn định chúng môi trường nước tác động bẫy quang học cấu tạo từ hai xung Gauss truyền lan ngược chiều Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung luận văn trình bày ba chương Chương 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 Sự ổn định bẫy quang học, trình bày số khái niệm trình động lực học hạt mẫu mơi trường chất lưu thơng qua phương trình Langevin có tham gia lực như: quang lực, lực Brown, trọng lực, lực hydrate nêu phương pháp mơ số vị trí hạt bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều Chương Ảnh hưởng kích thước hạt lên độ ổn định bẫy, trình bày số kết khảo sát phân bố cường độ tổng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều, phân bố quang lực dọc quang lực ngang Mô số ảnh hưởng kích thước hạt thủy tinh nước lên trình ổn định bẫy quang học cấu tạo từ hai xung Gauss truyền lan ngược chiều, xây dựng đường đặc trưng mô tả phụ thuộc kích thước vùng ổn định thời gian ổn định vào kích thước hạt lên ổn định bẫy Từ đưa thơng số kích thước hạt thủy tinh nước nhiệt độ xác định với độ ổn định cao sử dụng bẫy quang học định Phần kết luận chung: nêu vấn đề đạt nghiên cứu hướng phát triển luận văn Chương BẪY QUANG HỌC 1.1 Photon - xung lượng photon Ánh sáng gồm hạt gọi photon, chuyển động chân không với tốc độ ánh sáng c ≈ 3.108 (m/s) hệ quy chiếu, mang lượng ε = hν , h số Planck, ν tần số ánh sáng  p mặc Mỗi photon mang xung lượng dù khối lượng nghỉ khơng Với ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định, độ lớn xung lượng photon xác định biểu thức [2]:  ε h p = = c λ (1.1) Hay viết dạng véc tơ:   p = k  ω 2π k = = c λ số sóng,  k sáng chân khơng Hướng , véc tơ sóng,  p (1.2) = h 2π λ bước sóng ánh trùng với hướng truyền ánh sáng Photon hạt sơ cấp có spin đơn vị, photon khơng tương tác trực tiếp với Do hàm sóng hệ photon hàm sóng hệ hạt khơng tương tác Các photon có spin nguyên tuân theo thống kê Bose-Einstein nên thuộc nhóm hạt Boson Cường độ chùm sáng tỷ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian Khi tương tác với hạt khác, số photon thay đổi trình xạ hấp thụ Các photon bị xạ hấp thụ hạt Tương tác photon với hạt điện tích mơ tả hàm sóng chúng 1.2 Tương tác photon với vật thể Khi photon vào mơi trường có chiết suất khác với mơi trường ban đầu, photon bị khúc xạ phản xạ bề mặt phân cách, xung lượng thay đổi hướng, thỏa mãn định luật bảo toàn xung lượng Sự thay đổi xung lượng photon làm cho xung lượng hạt thay đổi sinh lực tác dụng lên bề mặt phân cách, quang lực [9, 10] Lực thường phân tích thành hai thành phần: lực gradient Fgrad lực tán xạ Fscat Lực tán xạ chùm tia đối xứng đẩy hạt theo hướng lan truyền chùm tia, lực gradient kéo hạt vùng có cường độ cao (nếu chiết suất hạt lớn chiết suất môi trường chứa hạt), đẩy hạt khỏi chùm tia (với hạt có chiết suất nhỏ chiết suất môi trường chứa hạt) Xung lượng photon nhỏ tác động yếu lên hệ kích thước cỡ nanơ Tuy nhiên, cách sử dụng nguồn laser số lượng photon lớn gây nên hiệu ứng mạnh Một chùm photon tương tác với vật thể nhiều cách Kích thước vật thể tham số tới hạn xác định hiệu ứng tương tác Khi kích thước nhỏ vật thể nhỏ bước sóng photon, ta sử dụng hệ phương trình Maxwell để giải tốn tương tác trường điện từ photon với vật thể, trường hợp ta gọi giới hạn Rayleigh Khi kích thước nhỏ vật thể lớn bước sóng photon chiếu tới khái niệm khúc xạ, phản xạ hấp thụ sử dụng, trường hợp ta gọi giới hạn quang hình Trước hết xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn nhiều bước sóng ánh sáng, chiết suất n1 hạt khác so với chiết suất n môi trường chứa hạt ánh sáng coi tập hợp tia sáng, thỏa mãn định luật quang hình Khi tia sáng khúc xạ bề mặt tiếp xúc hạt môi trường, hướng thay đổi, dẫn đến véc tơ xung lượng photon tới thay đổi, độ biến thiên xung lượng photon  ∆ P Áp dụng định luật bảo toàn xung lượng, ta thấy photon truyền cho hạt xung lượng   ∆ =− P P ∆ Từ định luật hai Newton ta tìm lực tác dụng lên hạt, lực có hướng ngược với độ biến thiên xung lượng photon Giả sử chùm sáng chiếu lên hạt điện môi hình cầu có chiết suất n đặt mơi trường có chiết suất n2 (n1>n2) hình 1.1 10 vậy, sử dụng bẫy hai xung Gauss ngược chiều với d=0 vùng bẫy giới hạn đường trịn nằm mặt phẳng mẫu quang lực cực đại, có tâm trục chùm tia bán kính ρ = w0 Tuy nhiên, bẫy có khả bẫy hạt kích thước nào? ta xét phần sau Từ biểu thức tính quang lực (1.40) (1.41) ta thấy rằng, quang lực tác động lên hạt điện môi phụ thuộc vào cấu trúc bẫy quang học, mà cịn phụ thuộc vào kích thước chiết suất hạt mẫu thông qua hệ số phân cực tiết diện tán xạ Hơn nữa, theo phương trình Langevin, trình động học hạt chất lưu phụ thuộc vào kích thước hạt thơng qua lực như, lực ma sát nhớt lực Brown Như vậy, kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến độ lớn quang lực, hay kích thước vùng ổn định ảnh hưởng đến khả ổn định bẫy thông qua lực Brown Điều cho thấy cần thiết việc nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt lên ổn định bẫy trình bày sau 3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt điện mơi lên ổn định bẫy Khơng tính tổng quát, mô quan tâm đến thay đổi vị trí hạt thời gian xung, q trình mơ hạn chế khoảng thời gian từ thời điểm bắt đầu xung t = -3τ đến thời điểm kết thúc xung t = 3τ Bài tốn mơ áp dụng cho trường hợp: bẫy quang học sử dụng hai xung laser dạng Gauss truyền lan ngược chiều có bước sóng λ = 1.064µm, hội tụ cho mặt thắt chùm tia mặt phẳng tiêu với wo = 1µm, độ bán rộng xung τ=1ps lượng xung U =1µJ bẫy hạt thủy tinh có chiết suất n1=1.592, bán kính hạt thay đổi khoảng a=(10÷50)nm hòa tan nước chiết suất n2=1.332 nhiệt độ T=270C với độ nhớt η=7.797x10-4 Pa.s đặt tiêu Như thảo luận phần trên, quang lực dọc khơng Do đó, quang lực tác dụng lên hạt quang lực ngang Fgrad,ρ tính biểu thức (1.40b) khoảng thời gian t = (-3 ÷ 3)τ, vùng khơng gian ρ=(-2÷2) w0 mặt thắt chùm tia z = (giả thiết tiêu điểm 49 hai chùm tia hội tụ mặt phẳng mẫu z = 0) Từ đó, ta có khái niệm hạt biên vùng bẫy ứng với ρ=w0/2; hạt tâm vùng bẫy ứng với ρ=0; hạt biên vùng bẫy tương ứng với ρ >w0/2 Trước tiên khảo sát chuyển động Brown hạt Trong trường hợp sử dụng phương trình (2.14) ta cho lượng xung laser không, tức hạt chuyển động tác dụng lực Brown mà quang lực, q trình chuyển động hạt mơ trình bày hình 3.8 Hình 3.8 Chuyển động Brown hạt nằm tâm (a,b,c,d) biên(e,f,g,h) bẫy Từ hình vẽ thấy, ban đầu hạt tâm mơ tả hình 3.8(a, b, c, d) hay biên bẫy mơ tả hình 3.8(e, f, g, h) chuyển động hạt ngẫu nhiên, hỗn loạn tác dụng lực Brown, nghĩa hạt khơng có tính ổn định Vậy có quang lực xung Gauss tác dụng lên hạt chuyển động hạt nào? Đặc biệt ảnh hưởng kích thước hạt ổn định bẫy diễn nào? Điều thấy rõ phần sau 3.3.1 Ảnh hưởng kích thước hạt biên vùng bẫy Bây giờ, khảo sát vị trí hạt thủy tinh nước có tác động quang lực Trên hình 3.9a trình bày q trình thay đổi vị trí hạt bẫy Giả sử thời điểm ban đầu xung vị trí hạt khảo sát cách tâm bẫy khoảng ρbd=w0/2 50 Ban đầu khảo sát vị trí hạt có kích thước a=10nm Kết mơ hình 3.9a cho thấy, hạt khơng chuyển động hỗn loạn hình 3.8 mà chuyển động có quy luật 2Rcd Vùng T0d Hình 3.9 Quá trình chuyển động hạt biên vùng bẫy thời gian xung trường hợp a=10nm tham số khác cố định sau (U = 1µJ, τ=1ps, ,λ=1.064µm, wo=1µm, n1=1.592, n2=1.332 ,T=270C,η = 7.797x10-4 Pa.s) Từ kết mơ hình 3.9 thấy khoảng thời gian từ t = -3τ đến lân cận thời điểm t=-2τ (vùng 1) xung laser tăng chậm quang lực gradient nhỏ, hạt mẫu dao động với biên độ nhỏ tác động lực Brown; khoảng thời gian từ lân cận thời điểm t = -2τ đến thời điểm lân cận thời điểm t= -1τ (vùng 2) xung laser tăng nhanh, quang lực gradient tăng mạnh, lực kéo nhanh hạt tâm bẫy Sau bị giam vùng bẫy thể hình 3.9b (vùng 3), hạt lắc lư tâm bẫy khoảng thời gian Tod Mặc dù lực Brown quang lực tác động lên hạt, nhiên, lực Brown không thắng quang lực, quang lực đối xứng qua tâm bẫy hướng tâm vùng bẫy Điều thể hình 3.4, hình 3.6 hình 3.7 phân bố quang lực Quá trình ổn định hạt tâm bẫy kéo dài khoảng thời gian từ lân cận thời điểm t = -1τ đến lân cận thời điểm t = 1τ Fgrad,ρ > FBrown Sau thời điểm cường độ xung nhỏ (vùng 4), tốc độ giảm chậm, lực gradient bé, hạt ổn định gây lực Brown 51 Như vậy, ổn định hạt đánh giá thông qua biên độ dao động cực đại Rcd hạt tâm bẫy thời gian bị giam bẫy Tod Hai giá trị thay đổi phụ thuộc vào kích thước hạt Hình 3.10 Quá trình chuyển động hạt biên vùng bẫy thời gian xung trường hợp kích thước hạt khác nhau, tham số khác cố định, (a,e) cho kích thước hạt a=20nm, (b,f) a=30nm, (c,g) a=40nm, (d,h) a=50nm Trên hình 3.10 kết khảo sát thay đổi trình ổn định hạt có kích thước khác nhau, cho ta thấy thời gian để hạt đạt ổn định nhanh độ dài thời gian ổn định hạt dài tăng giá trị kích thước hạt Đồng thời vùng khơng gian ổn định thu hẹp lại, có nghĩa hạt ổn định Đặc biệt, với thông số cho, ta thấy hạt có kích thước lớn 20nm, hạt lay động xung quanh tâm bẫy khoảng thời gian ổn định Vùng ổn định hạt bẫy nằm khoảng từ 8nm đến 14nm (tâm hạt so với tâm bẫy) Điều đồng nghĩa với hạt đứng yên tâm bẫy 52 Từ kết mô vẽ phụ thuộc độ rộng vùng ổn định hạt vào kích thước hạt hình 3.11 Hình 3.11 Ảnh hưởng kích thước hạt biên vùng bẫy đến độ rộng vùng ổn định Tương tự vẽ phụ thuộc độ dài thời gian ổn định hạt vào kích thước hạt điện mơi hình 3.12 Hình 3.12 Ảnh hưởng kích thước hạt biên vùng bẫy đến thời gian ổn định hạt Từ kết trên, ta thấy thời gian ổn định tăng ta tăng kích thước hạt Tuy rằng, kể từ có xung vào phải khoảng thời gian cỡ 1,6ps hạt ổn định Từ ta thấy, để hạt ổn định lâu dài ta phải chọn tần số lặp xung phù hợp Mặt khác, hạt bẫy ta chưa thể xác định lúc hạt tâm hay biên, để có kết lý thuyết chung, sau chúng tơi khảo sát q trình ổn định hạt tâm vùng bẫy Hình - d (U = 0.25µJ) Hình - c (U = 0.2µJ) 3.3.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tâm vùng bẫy Giả sử, vị trí ban đầu hạt tâm bẫy ρbd = 0, với số liệu cố định chúng tơi tính tốn mơ vị trí hạt hình 3.13 cho hạt có kích thước a=10nm 53 Vùng Hình 3.13 Quá trình chuyển động hạt tâm vùng bẫy thời gian xung trường hợp a=10nm tham số khác cố định biên vùng bẫy Từ kết mô thấy giống trường hợp hạt biên vùng bẫy, khoảng thời gian lân cận thời điểm t=-3τ đến lân cận thời điểm t=-2τ cường độ xung laser tăng chậm, quang lực gradient bé, hạt dao động xung quanh tâm bẫy tác dụng quang lực Gradient lực Brown, độ lớn lực Brown lớn nên hạt chuyển động ngẫu nhiên xa tâm bẫy (vùng hình 3.13); Từ lân cận thời điểm t=-2τ đến lân cận thời điểm t=-1τ xung laser tăng mạnh, dẫn đến quang lực Gradient tăng đột ngột, đồng thời lực hướng tâm bẫy dẫn đến kéo hạt trở lại tâm bẫy (vùng hình 3.13); khoảng thời gian từ t=-1τ đến t=1τ quang lực Gradient lớn lực Brown nên hạt lắc lư tâm bẫy (vùng hình 3.13) Sau vào thời điểm cuối xung hạt ổn định quang lực Gradient nhỏ lực Brown (vùng 4) Tương tự biên vùng bẫy, tính tốn biểu diễn q trình ổn định hạt tâm vùng bẫy với giá trị kích thước hạt khác thể hình 3.14 54 Hình 3.14 Quá trình chuyển động hạt tâm vùng bẫy thời gian xung trường hợp kích thước hạt khác nhau, tham số khác cố định, (a,e) cho kích thước hạt a=20nm, (b,f) a=30nm, (c,g) a=40nm, (d,h) a=50nm Từ kết mô hình 3.14 cho thấy, thời gian để hạt đạt đến ổn định nhanh thời gian ổn định hạt bẫy dài kích thước hạt tăng Mặt khác, vùng khơng gian ổn định hạt ngày thu hẹp kích thước hạt tăng, nghĩa ổn định hạt ngày cao Đặc biệt, kích thước hạt lớn 20nm vùng không gian ổn định vào cỡ 8nm đến 10nm, nhỏ kích thước hạt, tâm hạt lắc lư tâm bẫy khoảng thời gian ổn định Từ kết mô vẽ phụ thuộc độ rộng vùng ổn định bẫy vào kích thước hạt hình 3.15 55 Hình 3.15 Sự phụ thuộc độ rộng vùng ổn định hạt tâm vùng bẫy vào kích thước hạt Tương tự, vẽ phụ thuộc độ dài thời gian ổn định bẫy vào kích thước hạt thể hình 3.16 Hình 3.16 Sự phụ thuộc thời gian ổn định hạt tâm vùng bẫy vào kích thước hạt Từ hình 3.15 hình 3.16 chúng tơi thấy với giá trị kích thước hạt tăng dần vùng không gian ổn định hạt thu hẹp lại (nghĩa hạt ổn định) hạt biên vùng bẫy, khoảng thời gian ổn định tăng Tiếp theo, xét chuyển động hạt ngồi biên vùng bẫy 3.3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt ngồi biên vùng bẫy Một vấn đề đặt là, ban đầu hạt ngồi biên vùng bẫy q trình chuyển động hạt nào? Hạt có bị kéo vào tâm bẫy hay khơng? Trên 56 hình 3.17 mơ tả q trình ổn định hạt kích thước a=10nm vị trí ρ=w0, với số liệu cịn lại phần Hình 3.17 Q trình chuyển động hạt ngồi biên vùng bẫy thời gian xung trường hợp a=10nm tham số khác cố định sau (U = 1µJ, τ=1ps, ,λ=1.064µm, wo=1µm, n1=1.592, n2=1.332 ,T=270C,η = 7.797x10-4 Pa.s) ρ=1,5w0 Từ kết mô trình thay đổi vị trí hạt ta thấy, hạt có kích thước khơng lớn (a=10nm) hệ số khuếch tán D lớn kéo theo lực Brown lớn tác động vào hạt làm cho dao động mạnh thời điểm ban đầu xung, mà quang lực nhỏ gần khơng (vùng hình 3.17a) Sự dao động hạt lặp lại tăng dần cuối xung, mà quang lực nhỏ dần (vùng hình 3.17a) Tại thời điểm lân cận t=-1τ, quang lực cực đại đủ lớn để thắng lực Brown kéo hạt vào tâm bẫy (vùng hình 3.17a) Hạt lắc lư tâm bẫy khoảng thời gian Tod ≈ 1,5 ps (thời gian ổn định), với biên độ dao động Rod ≈22nm (kích thước vùng ổn định) Như vậy, vùng ổn định lớn nhiều kích thước hạt, ta khó để thao tác hạt Khi kích thước hạt tăng lên q trình ổn định mơ hình 3.18 57 Hình 3.18 Quá trình chuyển động hạt biên vùng bẫy thời gian xung trường hợp kích thước hạt khác nhau, tham số khác cố định (a,e) cho kích thước hạt a=20n; (b,f) a=30nm; (c,g) a=40nm; (d,h) a=50nm Từ hình 3.18 thấy rằng, kích thước hạt tăng lên (a=20nm ÷ 50nm) q trình lặp lại giống trường hợp a=10nm, song dao động hạt tâm ổn định Biên độ dao động tâm nhỏ kích thước hạt tăng, biên độ dao động có độ lớn cỡ 12 nm kích thước hạt lớn 20nm Như vậy, bán kính vùng dao động hạt nhỏ kích thước hạt nên xem gần hạt đứng yên, ta dễ dàng quan sát đặc tính hạt thao tác hạt xác kích thước hạt a≥ 20nm cho cấu hình bẫy chọn 58 Từ kết mô vẽ phụ thuộc độ rộng vùng ổn định bẫy vào kích thước hạt thể hình 3.19 Hình 3.19 Sự phụ thuộc độ rộng vùng ổn định hạt tâm vùng bẫy vào kích thước hạt Tương tự, vẽ phụ thuộc độ dài thời gian ổn định bẫy vào kích thước hạt thể hình 3.20 Hình 3.20 Sự phụ thuộc thời gian ổn định hạt tâm vùng bẫy vào kích thước hạt Từ hình 3.19 hình 3.20 chúng tơi thấy với giá trị kích thước hạt tăng dần vùng không gian ổn định hạt thu hẹp lại (nghĩa hạt ổn định) hạt biên vùng bẫy, khoảng thời gian ổn định tăng Kết luận Từ kết mô bình luận chúng tơi kết luận rằng: 1) Lực Brown có ảnh hưởng đáng kể đến trình ổn định bẫy quang học; 2) Các q trình ổn định hạt điện mơi khác phụ thuộc vào kích thước hạt; 3) Với hạt điện mơi có kích thước, chiết suất xác định trộn mơi trường có độ nhớt chiết suất xác định, để trình bẫy ổn định ta phải chọn xung laser với độ rộng bán xung, cơng suất đỉnh xung, bước sóng laser mặt thắt chùm tia phù hợp; 4) Ngược lại, với bẫy quang học có sẵn, ta sử dụng với số đối tượng phù hợp định, bảo đảm ổn định Điều có ý nghĩa quan trọng việc sử dụng bẫy quang học để nghiên cứu hạt nanô, tế bào sinh học giam giữ nguyên tử làm lạnh 59 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập trung nghiên cứu số vấn đề bẫy quang học, ổn định bẫy quang học, đặc biệt nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt mẫu lên độ ổn định bẫy sử dụng hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi Nội dung luận văn tóm lược điểm sau: - Đã tổng quan bẫy quang học ứng dụng nghiên cứu nguyên tử, hạt vàng nano tế bào sống, đưa số mơ hình bẫy mà tác giả khác sử dụng để nghiên cứu, đồng thời đề xuất mơ hình bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều - Trình bày lực tác động lên hạt mẫu chất lưu, khảo sát trình động học hạt mẫu tác động bẫy quang học Đặc biệt đưa phương trình Langevin mơ tả q trình chuyển động hạt mẫu bẫy quang học, nêu lên nhân tố ảnh hưởng đến q trình ổn định bẫy Từ đưa phương pháp mô số đề khảo sát vị trí hạt mẫu bẫy quang học hai xung Gauss ngược chiều - Trong chương tính tốn khảo sát ảnh hưởng độ rộng xung, khoảng cách hai tiêu điểm bán kính mặt thắt chùm tia lên quang lực dọc quang lực ngang Đồng thời khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt đến độ lớn quang lực lực Brown tác động lên hạt thủy tinh nước lên độ ổn định bẫy Từ rằng, với hạt có kích thước xác định nằm mơi trường chất lưu có độ nhớt chiết suất cụ thể, để trình bẫy ổn định ta phải chọn xung laser với độ rộng bán xung, công suất đỉnh xung, bước sóng laser mặt thắt chùm tia phù hợp Ngược lại, với bẫy quang học có sẵn, ta sử dụng với số đối tượng phù hợp định, bảo đẩm ổn định mẫu cần nghiên cứu - Luận văn dừng lại khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt đến độ ổn định bẫy nằm mặt phẳng mẫu, mà chưa áp dụng lợi bẫy hai xung Gauss ngược chiều không gian ba chiều, sử dụng quang lực dọc để thao tác hạt, ứng dụng bẫy quang học để tính lực cở pN… hạn chế luận văn Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu thời gian tới nội dung cần phát triển luận văn 60 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ Phan Sĩ Châu, Đỗ Ích Tình, Trương Thanh Sơn, Hồng Đình Hải, Hồ Quang Quý, Ảnh hưởng kích thước hạt điện môi lên độ ổn định bẫy quang học, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kĩ thuật cơng nghệ Quân sự, No 26, 02-2009 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Bình, Quang học, NXB Đại Học Quốc gia Hà Nội, 2007 [2] Đặng Quang Khang, học lượng tử, NXB KH&KT Hà Nội, 1996 [3] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2006 [4] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Dinh Xuan Khoa, “Radiation Force Distribution of Optical Trapping by two counter-propagating Gauss Beams Acting on Rayleigh Dielectric Sphere,” Institute of Applied Physics, NEWTECHPRO, Hanoi; Vinh University, Vinh [5] Hồ Quang Quý, Mai Văn Lưu, “Stable Manipulation Dielectric Sphere of Optical Trapping by two Counter-propagating Gauss Pulsed Beams,” IWP&A, Nhatrang, Sept.10-14, (2008) [6] Trần Hải Tiến, phân bố quang lực hai xung Gauss ngược chiều, tủ sách trường Đại học vinh, 2008 [7].Tham khảo danh mục đề tài nghiên cứu năm 2009-2010 Bộ KH&CN [8].A Ashkin, Atomic-Beam deflection by Resonance-Radiation Pressure, Phys Rev.Lett., 25, (1970) 1321 [9].A Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers, March 11, 1997 [10].A Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiation pressure Phys Rev Lett., 24(4):156-159, 1970 [11].A Ashkin, J M Dziedzic, J E Bjorkholm, and Steven Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, AT&T Bell Laboratories, Holmdel, New Jersey 07733 Received December 23, 1985; accepted March 4, 1986 [12].Akihiro Isomura, Nobuyuki Magome, Toward the Stable Optical Trapping of a Droplet with Counter Laser Beams under Microgravity, Department of Physics, Graduate School of Science, Kyoto University, Kyoto 606-8502, Japan & Spatio-Temporal Project, ICORP, JST, JAPAN [13] A Pralle et al, J Cell Biol., 148, 2000, 997 [14] C L Zhao, L G Wang, X H Lu, “Radiation Forces on a Dielectric Sphere produced by Highly Focused Hollow Gaussian Beams,”Phys Lett A (2006), pp 502-506 [15] G Ahmadi, Brown motion, ME437/537, Clarkson university [16].rlarsson@umich.edu, Brownian Dynamíc Simulation of DNA Conformational Trapping in a Micro-Mixing Flow, The Ohio State University [17].G.Volpe, G.Volpe, and D.Petrov, “Brownian Motion in a Nonhomogeneous Force Field and Photonic Force Microscope,” Phys Rev E76, 061118 (2007) [18] Howie George Mende, Optical Trapping, manipulation, translation and spinning of micron sized gears using a vertical dual Laser diode system, Department of Physics and Astronomy, Submitted in partial Mfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Physics, Faculty of Graduate Studies Laurentian University Sudbury, Ontario, 2000 62 [19] H Kress, Ernest H K Stelzer, G Griffiths, and A Rohrbach, “Control of Relative Radiation Pressure in Optical Traps: Application to Phagocytic Membrane binding studies,” Phys Rev E 71, 061927 (2005) [20] A Ashkin, “Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure,” Phys Rev Lett 44 (1978), pp 729-732 [21] In-Yong Park, Manufacturing micrometer scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips, School of Information and Mechatronics Gwangju Institute of Science and Technology (2007) [22] Javier Alda, Laser and Gauss beam propagation and transformation, In Encyclopaedia of Optical Engineering New York, 2002 [23] J L Deng, Q Wei, Y Z Wang, Y Q Li, „“Numerical Modeling of Optical Levitation and Trapping of the Stuck Particles with a Pulsed Optical Tweerz,” Opt Express 13 (2006), pp.3673-3680 [24] Li-Gang Wang, Cheng-Liang Zhao, Dynamic radiation force of a pulsed Gauss beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, 2007 Optical Society of America [25] L.G Wang et al, “Effect of Spatial Coherence on Radiation Forces acting on a Rayleigh Dielectic Sphere,” Opt Lett 32 (2007), pp 1393-1395 [26] Michael Gögler, Allen Ehrlicher, forces on Small Spheres in a One-Beam Gradient Trap,Wintersemester 2005/2006 [27] Michael Abbott, Optical tweezers, PH 201 experiment, October 2005 [28] Neil A Schofield, Development of Optical Trapping for the Isolation of Environmentally Regulated Genes, Submitted in partial fulfịment of the requirement for the degree of doctor of philosophy 1998, University of Reading, School of Animal and Microbial Sciences [29] Peter Maorters and Yuval Peres, Brownian Motion, Draft version of May 25, 2008 [30] R A Flynn et al, Bios & Biol 21, 2006, 1029-1036 [31] T W Hänsch and A L Schawlow: Cooling of Gasses by Laser Radiation, Opt.Comm 13 (1975) 68 [32] Thomas Moller Hansen , Studies of translation, on the ensemble level using in vivo techniques and on the single molecule level using optical tweezers, EMBO reports VOL | NO | 2003 504 [33] Y Seol, A E Carpenter, and T.T Perkins, “Gold Nanoparticles: Enhanced Optical Trapping and Sensitivity Coupled with Significant Heating,” Opt Lett., Vol 31, No 16 (2006), pp 2429-2431 [34] Prof Dr J Käs, Forces on Small Spheres in a One-Beam Gradient Trap, Biophysics Lab Course 2005/2006 [35] J Happel and H Brenner, “Low Reybnold Number Hydrodynamics,” Springer, NEW York, 1983 63 ... 44 Ảnh hưởng kích thước hạt điện môi lên độ ổn định bẫy quang học 45 3.3.1 Ảnh hưởng kích thước hạt biên vùng bẫy 47 3.3.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tâm vùng bẫy 50 3.3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt. .. trình động lực học hạt tác động bẫy quang học 29 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định bẫy quang học 29 2.6 Phương pháp mô 32 Kết luận Chương 34 Ảnh hưởng kích thước hạt điện môi lên độ ổn định bẫy. .. định bẫy thông qua quang lực lực Brown Bởi chọn nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng kích thước hạt lên ổn định bẫy quang học xác định chương 38 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT ĐIỆN MƠI LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH