Phân bố quang lực của hai chùm gauss ngược chiều trần hải tiến nghệ an đại học vinh , 2008 45tr ; 19 x 27 cm + thu qua USB vie 535

Mục lục Trang 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 Mục lục MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: QUANG LỰC Quang lực ……………………………………………………… Quang lực tác động lên hạt điện môi ……… …………… …… Làm lạnh nguyên tử …………………………………………… Cấu trúc hoạt động bẫy quang học hay kìm quang học … Kết luận chương ……………………………………………… CHƯƠNG 2: QUANG LỰC CỦA XUNG GAUSS Xung Gauss …………………………………….…………… … 2.1.1 Biên độ xung ………………………………… ……………… 2.1.2 Bán kính 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 chùm tia 6 13 17 19 20 20 …………… ……… 22 ……………… Sự phân kỳ chùm Gauss …………….… …….…… … Bán kính cong …………………………………… ……….… Giới hạn Rayleigh …………….………………….……… … Sự đổi pha Gouy ……… …………………………… … 23 23 25 25 … 2.1.7 Cường độ xung ……………………………………………… 2.2 Quang lực xung Gauss tác động lên hạt điện môi ………… 2.3 Khảo sát ảnh hưởng tham số lên quang lực …………… 2.3.1 Sự phụ thuộc quang lực vào độ rộng xung ………… 2.3.2 Sự phụ thuộc quang lực theo thời gian ………….…… 2.4 Kết luận chương ……………………………………………… CHƯƠNG 3: QUANG LỰC CỦA HAI XUNG GAUSS 26 27 29 29 30 31 NGƯỢC CHIỀU 3.1 Cấu hình …………………………………………….…………… 3.2 Phân bố lượng tổng hai chùm Gauss ngược chiều …… 3.2.1 Ảnh hưởng khoảng d đến cường độ tổng …………… 3.2.2 Ảnh hưởng mặt thắt w0 đến cường độ tổng ……… 3.3 Quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện 32 33 36 37 môi ………………… ……………………………… ………… 3.4 Ảnh hưởng tham số xung đến Quang lực ………… 3.4.1 Phân bố lực Fgrad mặt phẳng pha (ρ,t) ………t) ……… 37 39 39 3.4.2 Phân bố lực Fgrad,t) ……… ρ mặt phẳng pha (z,t) ………ρ) … … 3.4.3 Phân bố lực Fz mặt phẳng pha (z,t) ………t) ………… 3.5 Kết luận chương ……………….……………………………… KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 41 42 43 44 MỞ ĐẦU Laser tìm năm 1960 phịng thí nghiệm Hughes Research Aircraft Malib-Caliphornia Từ đó, Laser ứng dụng vào khoa học cách thú vị, mang tính hệ thống trở thành công cụ mạnh vật lý quang phổ để nghiên cứu tượng Cường độ cao tính định hướng tuyệt vời chùm laser đáp ứng yêu cầu thí nghiệm địi hỏi lượng mật độ động lượng cao Dùng chùm tia sáng hướng xạ tia laser để đục lỗ, làm nóng chảy, cắt kim loại hay làm khí giới hủy diệt khơng cịn làm ngạc nhiên [1] Ngược lại, dùng tia laser để làm lạnh vật chất, bẫy hạt hay bắt giữ nguyên tử ý tưởng táo bạo lạ kỳ [1] Và máy làm lạnh đặc biệt dùng để giữ hạt nhỏ làm lạnh nguyên tử khí đời, gọi bẫy quang học Năm 1970, Ashkin [7,11,16] người dùng bẫy quang học giữ lại hạt hình cầu, thắng trọng lực vùng phân kỳ chùm Laser Trong nghiên cứu bẫy quang học, ơng sử dụng định luật bảo tồn động lượng lượng để giải thích q trình tương tác photon lên hạt điện môi nhỏ, kết truyền phần động lượng việc dịch chuyển hạt nhờ ánh sáng Laser Điều dự đoán Kepler đầu kỷ XII (khi quan sát chổi chuyển động quanh mặt trời) Maxwell năm 1986 áp suất ánh sáng [1,11] A.Ashkin rằng, hạt bị bẫy khơng gian chiều vùng thắt chùm Laser đơn Nếu mặt thắt đủ nhỏ, hạt bị bẫy chùm tia Từ cấu hình bẫy quang học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Sử dụng tia sáng thẳng đứng hay nằm ngang, lắp đặt đôi, hay nhiều chùm tia để thiết kế bẫy quang học hay hệ làm lạnh quang học Mơ hình vật lý bẫy phải xem xét kỹ cho bẫy có hiệu đối tượng nghiên cứu khác Đặc biệt, nhiều nhà vật lý thành công việc dùng tia laser để làm lạnh nguyên tử gần không độ tuyệt đối -chưa tới phần triệu độ Kelvin [1] Ở nhiệt độ này, thay chúng dao động hướng môi trường bình thường sống, chúng bị đơng cứng chỗ thành đám mây tuyết mà ta khảo sát chúng tùy thích giống điều kiện đứng yên lý tưởng Tất cố gắng làm lạnh nguyên tử gắn liền với việc tìm kiếm bẫy giữ ngun tử thời gian dài Từ “Bẫy từ trường tĩnh” (Nobel 1989), “bẫy quang từ” (MOT) đời sử dụng tương tác momen từ nguyên tử với từ trường [4] Làm lạnh Dopple sau phương pháp Cisiphus với nguyên tử làm chậm đến vận tốc cỡ cm/s [4] Để đạt nhiệt độ thấp vào cỡ vài chục nano K, phương pháp làm lạnh “làm lạnh qua bốc hơi” áp dụng Bằng phương pháp này, số nước giới tạo quan sát trạng thái BEC (trạng thái thứ năm vật chất) [4] Hệ đậm đặc Bose-Einstein, hệ mà nguyên tử lạnh tự đông đặc thành mạng đặn hay tích tụ hình thức khác trạng thái vật chất mà Bose Einstein tiên đoán năm 1925 chưa quan sát ngày nay, tạo tiền đề cho quang học nguyên tử tương lai [4] Khía cạnh thứ hai cần quan tâm kiểu mode Laser Những bước sóng ánh sáng mặt cắt chùm tia…phải phù hợp với đặc trưng hạt hệ số hấp thụ, kích thước hạt… Hầu hết hạt cỡ cm, micromet, nguyên tử tế bào sinh vật bị mắc bẫy [11] Các nhà khoa học giới thuộc lĩnh vực như: dược, sinh học, vật lí hạt nhân, lượng…đều sử dụng ứng dụng khác bẫy quang học để giữ thao tác với hạt vi mơ Đã có nhiều cơng trình giới nghiên cứu ứng dụng hiệu bẫy quang học, bao gồm phân bố quang lực chùm tia Laser, đặc biệt chùm Gauss [5,6,11,15,16] Mặc dù nhiều mơ hình bẫy thiết kế có sử dụng hai chùm tia, chí sáu chùm bố trí thành ba cặp trực đối Tuy nhiên, chưa có nội dung đề cập tới phân bố quang lực hai xung Laser dạng Gauss Trong nội dung đề tài nghiên cứu này, đề cập tới nguyên lý bẫy quang học, phân bố quang lực hai xung Gauss ngược chiều Những vấn đề nghiên cứu luận văn trình bày theo bố cục sau: - Chương 1: Trình bày số khái niệm quang lực hiệu ứng bẫy quang hạt có kích thước cỡ bước sóng - Chương 2: Chúng ta tìm hiểu chùm tia Gauss khảo sát quang lực tác động lên hạt điện môi chùm Gauss - Chương 3: Chúng ta khảo sát phân bố cường độ tổng, lực quang học gây hai chùm Gauss truyền lan ngược chiều tác động lên hạt điện mơi Rayleigh hình cầu Phần kết luận chung: nêu vấn đề nghiên cứu hướng phát triển luận văn CHƯƠNG 1: QUANG LỰC 1.1 Quang lực Như biết, hạt nhỏ chịu tác dụng ánh sáng, bị giữ vùng không gian nhỏ để thao tác Nguyên nhân ánh sáng tạo lực [7] Những photon ánh sáng có động lượng, vào mơi trường có hệ số khúc xạ khác với mơi trường ban đầu, tia sáng khúc xạ mặt tiếp xúc hai môi trường, động lượng photon thay đổi hướng, thoả mãn định luật bảo toàn động lượng Sự thay đổi động lượng photon chuyển qua hạt sinh lực tác dụng lên hạt, quang lực [7] Lực thường phân tích thành hai thành phần: lực Gradient (Gradient force) lực tán xạ (Scattering force) Lực tán xạ chùm tia đối xứng tác động theo hướng chùm tia đẩy hạt theo hướng Trong lực Gradient tác dụng lên hạt hướng vùng có cường độ cao (với hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường), đẩy hạt khỏi chùm tia (với hạt có chiết suất bé chiết suất môi trường) 1.2 Quang lực tác dụng lên hạt điện môi Trước hết xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn nhiều bước sóng ánh sáng, chiết suất hạt lớn chiết suất môi trường chứa hạt ánh sáng coi tập hợp tia sáng, thoả mãn định luật Quang hình học [11] Để biết rõ nguồn gốc Quang lực trường hợp này, sử dụng kiến thức Quang hình học Áp dụng định luật bảo toàn động lượng quan sát tương tác photon với bề mặt phân cách hai mơi trường điện mơi có hệ số khúc xạ khác Trong điều kiện bản, photon phản xạ khúc xạ bề mặt vecto momen động lượng thay đổi Hạt tiếp nhận phần động lượng biến đổi bị kéo đẩy hướng đối diện phần momen biến đổi photon Để bắt đầu nghiên cứu, khảo sát tia sáng tới bề mặt (Hình 1.1) Một photon dịng tia tới có động lượng:   Pin kin kin rˆin (1.1)  Ở đây,  =h/2  , với h số Plank, kin kin vecto sóng số sóng tương ứng, rˆin vecto đơn vị dọc theo đường tia sáng tới 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 mơi Như biết, số sóng biểu diễn: kin  2 2 nmedium   0 rˆin sin    iˆ  cos    ˆj (1.2) (1.3) Trong đó, nmedium hệ số khúc xạ (chiết suất) mơi trường xung quanh, 0 bước sóng chân không Với thành phần (1.2), (1.3), động lượng tia tới (1.1) trở thành:  hn Pin  medium  sin    iˆ  cos    ˆj  0 (1.4) Phân tích tương tự, tìm biểu thức động lượng photon truyền qua bề mặt:   Pt kt kt rˆt (1.5)  Ở đây, k , kt , rˆt vecto sóng, số sóng vecto đơn vị dọc theo hướng truyền photon truyền qua Sử dụng: kt n partcle k0  2 n particle 0 (1.6) đây, nparticle hệ số khúc xạ bề mặt hạt,  rt sin    iˆ  cos    ˆj (1.7) Khi đó, phương trình (1.5) trở thành:  hn Pt  particle  sin    iˆ  cos    ˆj  0 (1.8) Từ (1.4) (1.8), tìm độ thay đổi động lượng photon truyền qua:  h dPt   n particle sin    iˆ  n particlecos    ˆj  nmedium sin    iˆ  nmediumcos    ˆj  0 (1.9) Theo định luật khúc xạ ánh sáng, mặt phân cách: nmedium sin    n particle sin    (1.10) Cùng với (1.9), suy độ thay đổi động lượng photon truyền qua:  h  n particle cos     nmedium cos     ˆj dPt  0  (1.11) Biểu thức cho biết, n partical  nmedium , độ thay đổi động lượng photon làm cho động lượng bề mặt bị biến đổi lượng theo chiều dương trục Y Lực tác động lên bề mặt tượng phản xạ, khúc xạ ánh sáng, tìm nhờ định luật Newton:   dP F dt (1.12)  Trong đó, dP độ thay đổi động lượng bề mặt, / dt số photon tới bề mặt đơn vị thời gian Lực tổng hợp tác dụng lên đối tượng tính với photon tới tác dụng lên dP dP1 dP2 Tia tới Tia tuyền qua Hình 1.2 Tia sáng ngang qua hạt điện mơi hình cầu Đối với hạt điện mơi hình cầu, tia truyền qua (khúc xạ) có đường hình 1.2 Với dP1,t) ……… dP2,t) ……… dP độ biến thiên động lượng hạt ứng với hai lần khúc xạ tia sáng độ biến thiên động lượng tổng hợp Giả sử có chùm tia có phân bố lượng mơ tả hình 1.3 hội tụ vào điểm Hình 1.3 (a), tia sáng khúc xạ mặt phân cách hạt điện môi môi trường mà lơ lửng Chiết suất hạt điện môi coi lớn chiết suất môi trường Những photon tia sáng K bị khúc xạ phía phải, dẫn đến lực xuất phía trái; tương tự, tia sáng L làm xuất lực hướng phía phải Nếu cường độ tia sáng K lớn cường độ tia sáng L, kết quả, lực tổng hợp có thành phấn hướng sang trái, hạt kéo tới vùng có cường độ cao a b F2 F1 K F1 L F2 M N nparticle  nmedium Hình 1.3 Tia sáng khúc xạ giao diện hạt điện mơi Ngồi ra, vị trí hạt thay đổi dọc theo trục chùm tia, gần với tiêu điểm chùm tia Hình 1.3 (b), chùm sáng giới hạn hai tia M N có cường độ hướng lên hội tụ điểm f , tiêu điểm chùm Laser Khi hạt phía tiêu điểm, chùm Laser tạo lực hướng xuống, lực phục hồi hướng phía tiêu điểm f Tương tự, hạt tiêu điểm, xuất lực hướng lên Tuy nhiên, hạt bị đẩy phía trước, phần phản xạ bề mặt (Hình 1.4) Để bù cho thành phần lực này, giam hạt không gian chiều, Ashkin lần sử dụng hai chùm tia truyền lan ngược chiều [7] Nếu môi trường chứa hạt điện mơi có chiết suất lớn chiết suất hạt, hạt bị đẩy khỏi chùm tia 10 ... nhiên, chưa có nội dung đề cập tới phân bố quang lực hai xung Laser dạng Gauss Trong nội dung đề tài nghiên cứu này, đề cập tới nguyên lý bẫy quang học, phân bố quang lực hai xung Gauss ngược chiều. .. ứng dụng hiệu bẫy quang học, bao gồm phân bố quang lực chùm tia Laser, đặc biệt chùm Gauss [ 5,6 ,1 1,1 5,1 6] Mặc dù nhiều mơ hình bẫy thiết kế có sử dụng hai chùm tia, chí sáu chùm bố trí thành ba... như: lực hấp dẫn, lực chuyển động Braon? ?, hay số lực học khác Để tăng quang lực, thời gian gần đây, nhiều cơng trình thực nghiệm lý thuyết quan tâm đến việc sử dụng xung laser 19 CHƯƠNG QUANG LỰC