Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số chuỗi xung lên vùng ổn định của kìm quang học luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LƯU ANH HÙNG NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CHUỖI XUNG LÊN VÙNG ỔN ĐỊNH CỦA KIM QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến: Thầy giáo, PGS. TS Hồ Quang Quý đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lý cùng các thầy giáo, cô giáo khoa Sau Đại học, Khoa Vật lý đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Vinh, tháng 10 năm 2011 Tác giả 2 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .1 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .2 MỞ ĐẦU 3 CH ƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ CỦA BẪY QUANG HỌC .7 1.1. Khái niệm về quang lực .7 1.2. Quang lực của hạt tác động lên hạt điện môi 7 1.3. Bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều 15 1.3.1. Chùm laser Gauss và xung laser Gauss 15 1.3.2. Cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều .20 1.3.3 Phân bố cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược chiều 21 1.3.4. Bẫy Quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện mội 24 1.4. Qúa trình động học của hạt trong kìm quang học .25 1.4.1. Phương trình Lagevin cho trường hợp tổng hợp tổng quát 25 1.4.2. Phương trình động học của hạt trong bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều 26 1.4.3. Thuật toán và quy trình mô phỏng 28 1.5. Kết luận ch ương 1 .31 CH ƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CHUỖI XUNG LÊN VÙNG ỔN ĐỊNH CỦA KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU . 32 2.1. Mở đầu .32 2.2. Ảnh hưởng của năng lượng xung laser lên vùng ổn định .33 2.3. Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt lên vùng ổn định .34 2.4. Ảnh hưởng của độ rộng xung laser lên vùng ổn định 35 2.5. Ảnh hưởng của tần số lặp xung lên vùng ổn định .36 2.6. Kết luận ch ương 39 KẾT LUẬN CHUNG .40 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO .42 CÁC PHỤ LỤC .44 3 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT CW Laser sóng liên tục. ĐH Đại học. KH Khoa học. KHCN Khoa học công nghệ. KH&CNQS Khoa học và công nghệ Quân Sự. NCS Nghiên cứu sinh. a [m] Bán kính hạt c = 299792458 [m.s -1 ] : Vận tốc ánh sáng trong chân không B [T] Cảm ứng từ. E [V.m -1 ] Cường độ điện trường. I [W/m 2 ] Cường độ của trường. k B = 1.38x10 -23 [J/K] Hằng số Boltzman. k [m -1 ] Vectơ sóng điện trường. F opt [N] Quang lực tổng. F grad [N] Quang lực građien F scat [N] Quang lực tán xạ. m Hệ số khúc xạ. particle n Chiết suất bề mặt hạt. medium n Chiết suất của môi trường. η [Pa.s] Độ nhớt. P[W] Công suất p Mô men lưỡng cực từ trường. t[s] Thời gian. τ [s] Bán độ rộng xung. T[ 0 C] Nhiệt độ môi trường. U [J] Năng lượng đỉnh xung laser. α Hệ số ma sát nhớt. ρ [m] Tọa độ xuyên tâm. λ [m] Bước sóng. µ 0 = 4π×10 -7 [H.m -1 ] Độ từ thẩm chân không. ε 0 =8.854187817×10 -12 [F.m -1 ] Độ điện thẩm chân không. ω [rad.s -1 ] Tần số góc. w 0 [μm] Độ rộng mặt thắt chùm Gauss. θ [rad] Góc tới. 4 ϕ [rad] Góc khúc xạ. MỞ ĐẦU Bẫy quang học (optical trap) hay kìm quang học (optical tweezer) là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: các hạt điện môi (dielectric nanoparticles), các nguyên tử sau khi đã bị làm lạnh bằng laser (laser cooling), hồng cầu, các tế bào lạ, . Nguyên lý hoạt động của bẫy quang học dựa trên sự tác động của quang lực (optical force) lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Hiện nay, bẫy quang học và kìm quang học đã được đề cập nghiên cứu bằng lý thuyết, thực nghiệm và đã đưa vào sử dụng khảo sát quá trình động của một số hạt nano. Mục tiêu của bẫy quang học là ổn định được đối tượng nghiên cứu. Chất lượng của bẫy càng cao khi độ ổn định càng cao và vùng ổn định không-thời gian lớn. Quá trình ổn định này phụ thuộc rất nhiều điều kiện như: cấu hình của bẩy (structure), độ lớn của quang lực (magnitude of optical force), độ lớn của lực Brown (magnitude of Brown force), độ lớn của kích thước hạt (radius of particle), chiết suất của hạt (refractive index), nhiệt độ chất lưu (temperature of fluid), độ nhớt (viscosity) của chất lưu, tác động của lực hấp dẫn (gravity force),… Những vấn đề này không đề cập tới khi sử dụng các chùm laser liên tục. Tuy nhiên, để nâng cao quang lực, các laser xung có công suất lớn đã được áp dụng trong bẫy quang học và vấn đề ổn định theo thời gian cần phải quan tâm nghiên cứu. Đây là những nội dung vẫn còn bỏ ngõ cả về lý thuyết và thực nghiệm. Từ những năm 1970, Ashkin, đã có ý tưởng sử dụng chùm laser để giam giữ các hạt có kích thước cỡ micro và nano [9]. Từ đó đến nay nhiều công trình nghiên cứu về bẫy quang học và kìm quang học đã được quan tâm nghiên cứu [18, 14,]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào bẫy quang học sử dụng chùm laser liên tục có quang lực đạt cỡ hàng trăm pN, hay sử dụng một xung Gauss có độ rộng xung lớn hiệu suất bẫy không cao, chưa 5 đề cập đến chuyển động nhiệt Brown của đối tượng nghiên cứu trong môi trường (hay chất lưu), hơn nữa chưa quan tâm đến độ lớn của vùng ổn định và thời gian ổn định khi sử dụng chuỗi xung laser … Cho đến năm 2007 nhiều công trình trên thế giới đã công bố kết quả nghiên cứu về bẫy quang học, đặc biệt các kết quả sử dụng bẫy quang học nghiên cứu các đối tượng sinh, hoá học. Sử dụng bẫy quang nghiên cứu bạch cầu và hồng cầu trong trong tế bào sống [14], nghiên cứu về hạt vàng nano, đo kích thước của các hạt kích thước micromet. Từ những kết quả nghiên cứu trên xuất hiện vấn đề cần đề cập là ảnh hưởng của các lực khác lên đối tượng nghiên cứu gây nên sự mất ổn định của mẫu. Mới đây nhất Volpe và cộng sự đã nghiên cứu chuyển động Brown trong môi trường dưới tác động của trường lực không đồng nhất và trường quang. Tuy nhiên chưa đề cập đến việc ứng dụng của kết quả này vào quá trình ổn định bẫy quang học. Những vấn đề trên cũng chưa được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam cả về lý thuyết, thực nghiệm và ứng dụng. Việc chưa có nhóm nghiên cứu nào quan tâm có thể do chưa thấy được đối tượng ứng dụng trong thực tế và những khó khăn về tài chính và thiết bị hiện đại. Sau khi Bộ KHCN có hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị laser vào nghiên cứu y học, sinh học, đặc biệt là các kính hiển vi sử dụng laser và thiết bị làm lạnh nguyên tử, chúng tôi có ý tưởng nghiên cứu về bẫy quang học nhằm hỗ trợ cho các thiết bị trên. Trong nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả thuộc Viện KH&CNQS và Trường ĐH Vinh [16] đã chỉ ra rằng sử dụng một xung Gauss sẽ làm mất sự đối xứng của quang lực trong bẫy và sẽ gây nên mất ổn định của nó, đặc biệt là quang lực dọc (longitudinal force). Bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều nhau sẽ loại trừ được hiện tượng không đối xứng lực dọc và sẽ nâng cao hiệu quả của bẫy quang học. Trong công trình [16] đã nêu ra khả năng thu hẹp vùng ổn định của bẫy. Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề hết sức 6 quan trọng ảnh hưởng đến quá trình ổn định của mẫu hay ổn định của bẫy, đó là: ảnh hưởng của quang lực thông qua năng lượng và độ rộng xung laser bơm, ảnh hưởng của môi trường chứa mẫu, ảnh hưởng của nhiệt độ, ảnh hưởng của chính kích thước, dạng và chiết suất mẫu. Đây là những vấn đề cấp thiết, khoa học và cập nhật đáng quan tâm nhằm mục đích (ổn định mẫu nghiên cứu) phục vụ cho việc ứng dụng các thiết bị Kính hiển vi laser quét đồng tâm và Thiết bị làm lạnh quang học đang được Bộ KHCN cho phép nghiên cứu trong hai đề tài nhà nước trong những năm 2009-2010. Căn cứ chọn đề tài: Hiện nay có một 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 những đề tài cần đến quá trình ổn định các đối tượng nghiên cứu. Để có được những luận cứ khoa học về ổn định của các đối tượng khi sử dụng các thiết bị trên cần có những nghiên cứu cụ thể, trước hết về mặt lý thuyết, nhằm mục đích định hướng cho quá trình xây dựng thực nghiệm. Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chuỗi xung lên vùng ổn định của kìm quang học” Hiện nay chúng tôi đã trang bị đầy đủ các kiến thức về bẫy quang học, các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm về bẫy quang học, bước đầu có những công trình công bố về vấn đề này [1]. Hơn nữa đã có học viên cao học bảo vệ thành công luận văn của mình về bẫy quang học [4]; một số học viên cao học và NCS đang quan tâm đến vấn đề trên; Tại Viện KH&CNQS, bước đầu đã xây dựng và trang bị một số thiết bị cần thiết cho nghiên cứu về bẫy quang học bằng thực nghiệm như: laser Thuỷ tinh Neodym phát xung ns, bàn quang học, hệ thấu kính đồng tiêu, máy phân tích chùm tia. Do đó khả năng thành công của đề tài hoàn toàn tin tưởng. 7 Mục tiêu của đề tài là đưa ra được các luận cứ có tính khoa học, xây dựng các điều kiện để có thể tăng vùng ổn định của kìm quang học tác động lên hạt có kích thước nano. Đưa ra mối quan hệ tương quan giữa các tham số quang, tham số cơ, tham số nhiệt tham gia trong quá trình ổn định hạt điện môi trong bẫy quang học sử dụng một chuỗi xung Gauss có độ rộng xung và tần số lặp khác nhau. Trước tiên bằng lý thuyết về tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết chuyển động nhiệt Brown, lý thuyết về lực hấp dẫn,… đề tài sẽ mô phỏng quá trình động học của các hạt dưới tác động của các lực tương tác, chủ yếu là quang lực và lực Brown. Khảo sát phân bố cường độ của chùm xung Gauss, khảo sát phân bố không gian và thời gian của quang lực gây ra bởi chùm xung Gauss, dẫn giải phương trình động học của hạt điện môi trong chất lưu dưới tác động của quang lực và lực Brown, khảo sát ảnh hưởng của tham số chuỗi xung quang (độ rộng xung, tần số lặp) lên vùng ổn định. Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của luận văn được trình bày trong hai chương. Chương I: Một số khái niệm và kết quả nghiên cứu về bẫy quang học. Trong chương này chúng tôi trình bày về khái niệm quang lực; Xây dựng biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi; cấu trúc, hoạt động của bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều, các yếu tố ảnh hưởng đến phẩm chất của bẫy, mô phỏng sự ổn định của hạt trong bẫy từ đó có căn cứ đưa ra dự đoán làm tăng sự ổn định của hạt mẫu trong bẫy. Chương II: Ảnh hưởng của tham số chuỗi xung quang lên vùng ổn định của bẫy quang học. Trong chương này chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của tham số chuỗi xung như năng lượng xung, bán kính mặt thắt, độ rộng xung, ảnh hëng cña tÇn sè lÆp lên sự ổn định của bẫy. 8 Chương I MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BẪY QUANG HỌC 1.1. Khái niệm quang lực Như chúng ta đã biết, hạt nhỏ có thể chịu tác dụng của ánh sáng, bị giữ trong vùng không gian nhỏ để thao tác. Nguyên nhân là do ánh sáng có thể tác dụng lực. Những photon ánh sáng có động lượng, khi đi vào môi trường có hệ số khúc xạ khác với môi trường ban đầu, tia sáng sẽ khúc xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường, động lượng của photon thay đổi về hướng, thoả mãn định luật bảo toàn động lượng [4]. Sự thay đổi động lượng của photon chuyển qua hạt và sinh ra một lực tác dụng lên hạt, đó là quang lực [9] Quang lực thường được phân tích thành hai thành phần: lực Gradient (Gradient force) và lực tán xạ (Scattering force). Lực tán xạ của một chùm tia đối xứng tác động theo hướng của chùm tia và đẩy hạt theo hướng đó. Trong khi lực gradient tác dụng lên hạt hướng về vùng có cường độ cao nhất (với hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường), hoặc đẩy hạt ra khỏi chùm tia (với hạt có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của môi trường). 1.2. Quang lực tác động lên hạt điện môi Trước hết chúng ta xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Chiết suất của hạt lớn hơn chiết suất của môi trường chứa hạt và ánh sáng coi là tập hợp các tia sáng thõa mãn các định luật của quang hình học. Để biết rõ hơn về nguồn gốc của quang lực trong trường hợp này, chúng ta sử dụng kiến thức về quang hình học. Áp dụng định luật bảo toàn động lượng khi quan sát sự tương tác giữa các photon với bề mặt phân cách giữa hai môi trường điện môi có hệ số khúc xạ khác nhau. Trong điều kiện cơ bản, các photon phản xạ hoặc khúc xạ tại bề 9 mặt và vectơ mômen động lượng thay đổi. Hạt sẽ tiếp nhận phần động lượng biến đổi này và bị kéo hoặc đẩy về hướng đối diện của phần mômen biến đổi của photon. Xét tia sáng tới bề mặt phân cách của hai môi trường điện môi (Hình 1.1). Một photon trong dòng của tia tới có động lượng: in in in in P k k r= = r r r h h (1.1) Ở đây: 2 h π =h , với h là hằng số Plank. in k  và in k là vectơ sóng và số sóng tương ứng. in r r là vectơ đơn vị dọc theo đường đi của tia sáng. Như đã biết, số sóng được biểu diễn: 0 2 2 λ π λ π medium in n k == (1.2) sin( ) cos( ) in r i j θ θ = − r r r (1.3) 10 Tia tới Tia phản xạ Tia truyền qua Hình 1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường điện môi . TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LƯU ANH HÙNG NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CHUỖI XUNG LÊN VÙNG ỔN ĐỊNH CỦA KIM QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH ,. tăng sự ổn định của hạt mẫu trong bẫy. Chương II: Ảnh hưởng của tham số chuỗi xung quang lên vùng ổn định của bẫy quang học. Trong chương này chúng tôi nghiên