Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 51 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
51
Dung lượng
1,96 MB
Nội dung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH DƯƠNG THỊ THANH HÀ PH¢N Bè C¦êNG §é Vµ QUANGLùC CñA K×M Sö DôNG BA CHïM TIA PH¢N CùC TRßN §èI NHAU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬNVĂNTHẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HỒ QUANG QUÝ NGHỆ AN - 2012 2 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ sự kính trọng, lòng cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý, Khoa sau Đại học - Trường Đại học Vinh đã dành nhiều tâm huyết truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với thầy giáo, PGS. TS. Hồ Quang Quý; người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tác giả với tấm lòng hết mực của người thầy và tinh thần đầy trách nhiệm của nhà nghiên cứu khoa học đã giúp tác giả nâng cao kiến thức, phát huy tính sáng tạo trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành đối với người thân, gia đình và bạn bè đã động viên, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luậnvăn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luậnvăn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự chỉ dẫn của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp Vinh, tháng 8 năm 2012 Tác giả Dương Thị Thanh Hà MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .7 Chương 1 TỔNG QUAN BẪY QUANG HỌC 10 1.1. Quanglực .10 1.1.1. Năng lượng và xung lượng của photon .10 1.1.2. Tương tác của photon với vật thể 10 1.1.3. Hiện tượng khúc xạ qua hạt tán xạ Mie 11 1.1.4. Hiện tượng phản xạ từ hạt Mie 15 1.1.5. Áp suất bức xạ 15 1.1.6. Lực gradient quang học 17 1.1.7. Tính quanglực trong chế độ Rayliegh 20 1.2. Kìmquang học sửdụngba cặp chùm laser Gauss đốinhau .22 1.2.1. Cấu hình bẫy quang học sửdụngba cặpchùm Gauss ngược đốinhau 22 1.2.2. Phânbốcườngđộ trong không gian 23 1.2.3. Quanglựccủa từng cặp chùm Gauss 26 1.2.4. Quanglực tổng hợp củaba cặp chùm Gauss .31 1.3. Kết luận 34 Chương 2 KÌMQUANG HỌC BA CẶP CHÙM GAUSS PHÂNCỰCTRÒNĐỐINHAU 36 2.1. Các trạng thái phâncực .36 2.1.1. Phâncực Ellip .37 2.1.2. Phâncực tuyến tính (hay phâncực thẳng) .39 2.1.3. Phâncựctròn 39 2.2. Biểu diễn ma trận của các trạng thái phâncực 40 2.3. Cấu hình kìmba cặp chùmtiaphâncựctrònđốinhau 41 2.4. Phânbốcườngđộ laser trong không gian bẫy 44 2.5. Phânbốlực Gradient 47 2.6. Kết luận 48 KẾT LUẬN CHUNG .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ví dụ về hiện tượng phản xạ và khúc xạ trên giao diện .11 Hình 1.2. Khúc xạ của nhiều tia qua hạt vi mô 12 Hình 1.3. Phânbố 1 chiều củacườngđộ laser sửdụng giữ hạt vi mô 13 Hình 1.4. Hướng thay đổicủa xung lượng hạt do tác động củachùmtia hội tụ .14 Hình 1.5. Bẫy quang học sửdụng hiệu ứng phản xạ .15 Hình 1.6. Quang trình khúc xạ của hai tia qua hạt hình cầu nằm trước tiêu điểm của một chùm Gauss .18 Hình 1.7. Quang trình khúc xạ của hai tia qua hạt hình cầu nằm sau tiêu điểm của một chùm Gauss .19 Hình 1.8. Mô hình bẫy quang học sửdụngba cặp chùm Gauss ngược chiều 22 Hình 1.9. Hai chùm Gauss ngược chiều tán xạ trên hạt điện môi hình cầu dọc theo trục x .23 Hình 2.1. Tiến trình theo thời gian của véc tơ điện trường tại một số vị trí 36 Hình 2.2. Phâncực elip của ánh sáng 38 Hình 2.3. Phâncực tuyến tính của ánh sáng .39 5 Hình 2.4. Quỹ đạo của đầu mút véc tơ điện trường của sóng phẳng phâncựctròn .40 Bảng 2.1. Véc tơ Jones .41 Hình 2.5. Kìmquang học sửdụng trong bẫy quang - từ 42 Hình 2.6. Phânbốcườngđộ tổng củaba cặp chùm laser trên mặt cắt x-y chuẩn hóa theo W0 .46 Hình 2.7. Phânbốlực gradient trên trục x theo bán kính chuẩn hóa theo W0 .48 6 MỞ ĐẦU Vào năm 1871, bằng lý thuyết Maxwell đã chỉ ra rằng xung lượng (momentum) của ánh sáng có thể tạo ra một áp lực trên mặt tiếp xúc. Sau này, hiệu ứng này được gọi là “áp suất bức xạ” (radiation pressure) [2,3]. Năm 1901, nhóm của Lebedev và nhóm của Nichols đã độc lập thực hiện thí nghiệm về áp lực tác động lên vật thể. Áp lực này rất nhỏ vì cườngđộ dòng photon rất thấp. Năm 1960, khi laser ra đời, cườngđộ dòng photon được tăng cường lên rất nhiều và áp suất bức xạ đã có thể ứng dụng vào các mục đích khác nhau. Vào năm 1971, Askin đã tìm cách cân bằng với áp suất bức xạ với lực trọng trường và đã bẫy được hạt điện môi (dielectri nanoparticles) có kích thước 20 m µ . Askin cùng cộng sự tiếp tục theo đuổi lĩnh vực bẫy quang học áp dụng cho các hạt kích thước nhỏ [3,9,11]. Các công trình của ông chủ yếu quan tâm tới bẫy các nguyên tử và hạt keo và được phân thành hai loại: làm lạnh nguyên tử bằng laser và bẫy quang học. Năm 1986, Askin cùng cộng sự lần đầu tiên công bố kết quả sửdụng bẫy quang học một chùmtia để giữ các hạt có đường kính từ 25 nm đến 10 m µ tại một điểm trong nước. Thiết bị mà Askin sửdụng để bẫy các hạt này được gọi là kìmquang học “Optical Tweezer” và phương pháp này được gọi là “bẫy quang học” (Optical Trap), là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: các hạt điện môi, các nguyên tử sau khi đã bị làm lạnh bằng laser (laser cooling), hồng cầu, các tế bào lạ,… nguyên lý hoạt động của BQH (bẫy quang học) dựa trên sự tác động củaquanglưc (optical force) lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Đến nay, việc nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm củakìmquang học đã được phát triển mạnh và đưa vào ứng dụng thực tế đặc biệt các kết quả sửdụng BQH nghiên cứu các đối tượng sinh, hóa học. Sửdụng bẫy nghiên cứu 7 hồng cầu trong tế bào sống [17 ], nghiên cứu hạt vàng nano, đo kích thước của các hạt cỡ micromet.v.v . Có nhiều cấu hình củakìmquang học như: sửdụng một chùm tia, hai cặp chùmđốinhauvaba cặp chùmtiađối nhau. Mỗi cấu hình đều có ưu điểm và nhược điểm riêng và được ứng dụng vào mục đích thích hợp. Kìm một chùmtiasửdụng trong việc bẫy các đối tượng nằm trên tiêu bản trong Y sinh học; kìmsửdụng hai chùmtiađốinhau với mục đích loại trừ quanglực dọc (loại trừ sai số cấu hình vàcườngđộcủa hai chùm tia), bẫy các đối tượng trong không gian ba chiều; nhằm nâng cao độ chính xác vàsự ổn định củakìmsửdụng hai chùmtiađối nhau. Đặc biệt, kìmquang học sửdụngbachùmtia đã được sửdụng trong công nghệ làm lạnh nguyên tử với độ chính xác cao về không gian ổn định. Tuy nhiên, trong nghiên cứu bẫy quang từ, việc sửdụngkìmbachùmtiađốinhau được xem như mặc định, mà chưa có những nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các chùmtia lên hiệu quả bẫy. Mặt khác, trong bẫy quang từ, các chùmtia laser đều có phâncựctròn phải hoặc tròn trái với mục đích tạo ra hấp thụ lọc lựa của nguyên tử đối với hiệu ứng Dopler [19]. Rất tiếc, trong các nghiên cứu trước đây về kìmquang học, đặc biệt trong các tính toán lý thuyết, chỉ quan tâm đến phâncực tuyến tính củachùmtia [18] mà chưa quan tâm đến phâncực tròn. Trong luậnvăn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu kìmquang học sửdụngba cặp chùmtiaphâncựctrònđối nhau. Điều chúng tôi quan tâm nhất là ảnh hưởng của trạng thái phâncựctròn lên phânbốcườngđộvàquanglực trong không gian ba chiều. Toàn bộ nội dung trên được trình bày dưới tiêu đề: “Phân bốcườngđộvàquanglựccủakìmsửdụngbachùmtiaphâncựctrònđối nhau”. Dựa trên cơ sở lý thuyết về tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết phâncựccủachùm laser, lý thuyết BQH, phương pháp mô phỏng số 8 trên máy tính, . đề tài sẽ đưa ra biểu thức toán học, mô phỏng cườngđộ tổng vàquanglựccủaba cặp chùm Gauss phâncựctròn ngược chiều tác động lên hạt điện môi. Từ đó đưa ra được các luận cứ khoa học từ đó rút ra các kết luận định hướng. Ngoài phần mở đầu và kết luận chung nội dungluậnvăn được trình bày trong hai chương chính. Chương I: Tổng quan về bẫy quang học. Trong chương này chúng tôi trình bày về khái niệm quang lực; Xây dựng biểu thức quanglực tác dụng lên hạt điện môi; cấu trúc và các biểu thức tính phânbốcườngđộvàquanglựccủakìmquang học sửdụngbachùmtiađối nhau. Chương II: Kìmquang học ba cặp chùm Gauss phâncựctrònđối nhau. Trong chương này chúng tôi trình bày về các trạng thái phâncựccủachùmtia laser, biểu thức củacườngđộvàquanglực trong kìmsửdụngbachùmtiaphâncựctrònđối nhau. Từ đó khảo sát phânbố không gian của chúng. Từ kết quả chương 2, chúng tôi sẽ có những bình luậnvà kết luận định hướng cho các nghiên cứu thực nghiệm sau này. 9 Chương 1 TỔNG QUAN BẪY QUANG HỌC 1.1. Quanglực 1.1.1. Năng lượng và xung lượng của photon Từ cơ học cổ điển và cơ học lượng tử chúng ta biết rằng mỗi một photon riêng lẻ có năng lượng và xung lượng riêng. Năng lượng của photon cho bởi hc E λ = (1.1.1) Trong đó E (J)là năng lượng, h (=6,625.10 -34 J.s) là hằng số Plank, c (=299792458m/s) là vận tốc ánh sáng trong chân không, λ (m) là bước sóng của photon. Xung lượng của photon này cho bởi h p λ = (1.1.2) Ví dụ: Một photon có bước sóng 1000nm sẽ có năng lượng 19 1,99.10E J − = và xung lượng 28 6,625.10 .P N s − = . Thông thường có thể sửdụng đơn vị năng lượng ở dạng lực-khoảng cách: .pN nm hay .pN m µ . Năng lượng photon trên có thể đổi thành 199 .pN nm (hay 0,199 .pN m µ ). Năng lượng này có thể so sánh với một số năng lượng khác. Ví dụ: năng lượng để phân hủy ATP thành ADP gần 100 .pN nm ; một ion chuyển động qua một kênh ion sẽ nhận được một năng lượng gần 30 .pN nm , hay nhiệt năng, B k T tại nhiệt độ phòng vào khoảng 4 .pN nm . Xung lượng của một photon cực nhỏ, dođó nó tự gây ra một hiệu ứng rất nhỏ lên hệ có kích thước nano. Tuy nhiên nếu sửdụng thiết bị phát trường điện từ có chất lượng cao, như laser thì sinh ra hiệu ứng rất lớn. 1.1.2. Tương tác của photon với vật thể Một chùm photon có thể tác động lên một vật thể theo nhiều cách khác nhau. Kích thước củavật thể là điều kiện tới hạn xác định hiệu ứng của các 10