Điều khiển đồng thời hai loại vi hạt ở trong bẫy quang học theo nguyên lý giao thoa ánh sáng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VŨ DUY DŨNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI HAI LOẠI VI HẠT Ở TRONG BẪY QUANG HỌC THEO NGUYÊN LÝ GIAO THOA ÁNH SÁNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VŨ DUY DŨNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI HAI LOẠI VI HẠT Ở TRONG BẪY QUANG HỌC THEO NGUYÊN LÝ GIAO THOA ÁNH SÁNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS HỒ QUANG QUÝ Nghệ An, 2016 i LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học hồn thành trường Đại học Vinh Có luận văn tốt nghiệp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới trường Đại học Vinh, phòng đào tạo sau đại học, đặc biệt PGS.TS Hồ Quang Quý trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tơi với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “ Điều khiển đồng thời hai loại vi hạt bẫy quang học theo nguyên lý giao thoa ánh sáng ” Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo - nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành quang học cho thân năm tháng qua Xin gửi tới thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp trường THPT Quỳnh Lưu lời cảm ơn sâu sắc tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu khoa học trường Đại học Vinh Xin ghi nhận công sức đóng góp quý báu bạn học viên cao học chuyên ngành quang học khóa 22 đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Một lần tơi xin chân thành cảm ơn đơn vị cá nhân hết lịng quan tâm giúp đỡ Tơi mong nhận đóng góp, phê bình quý thầy cô, nhà khoa học, độc giả bạn đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn ! ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐƠN VỊ ĐO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: Mục đích nghiên cứu đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp đề tài Chương 1: NHỮNG PHÁT TRIỂN CỦA MẢNG BẪY QUANG HỌC 1.1 Nguyên lý hoạt động bẫy quang học 1.2 Mảng bẫy quang học giao thoa hai chiều 1.3 Mảng kìm quang học sử dụng khe nhiễu xạ 12 1.4 Mảng kìm quang học thơng minh 14 1.5 Mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính tạo chùm proton 16 1.5.1 Tạo mảng vi thấu kính phương pháp nhiệt ăn mòn 16 1.5.2 Mảng kìm thiết kế theo phương pháp thứ 18 1.5.3 Cấu hình theo phương pháp thứ hai 20 1.6 Kết luận 23 Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VI HẠT THEO NGUYÊN LÝ GIAO THOA ÁNH SÁNG 25 2.1 Cấu hình bẫy quang học sử dụng hai khe sáng 25 2.2 Nguyên lý hoạt động 26 2.3 Phân bố cường độ laser trục x 28 2.4 Khảo sát phân bố quang lực gradient 32 2.5 Kết luận 37 iii KẾT LUẬN CHUNG 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT G - gương L1, L2, L3 - thấu kính BCT - chia tia QPC - kính quay phân cực GQ - gương quay, VTK - vi thấu kính DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ VÀ ĐƠN VỊ ĐO Tên đại lượng Kí hiệu đại lượng Đơn vị Bước sóng  nm Khoảng cách hai khe a mm mặt phẳng mẫu d cm Chiết suất n Bán kính vi hạt R nm Cơng suất trung bình P0 W Bán kính thắt chùm W0 m Biên độ sóng A V/m Quang lực F N Cường độ chùm sáng I Khoảng cách hai khe đến W/m v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bẫy quang học chùm tia laser Hình 1.2 Sơ đồ hình thành vết hội tụ Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo hai kìm tạo hai chùm tia Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý kìm giao thoa hai chiều Hình 1.5 Hai chùm tia giao thoa tiêu diện vi thấu kính vân giao thoa chúng Hình 1.6 Phân bố cường độ laser khơng gian điều kiện chiết suất Hình 1.7 Quá trình quét vi cầu chiết suất nhỏ 10 Hình 1.8 Quá trình giữ điều khiển hai vi cầu chiết suất thấp 11 vào vùng vân tối 11 Hình 1.9 Cấu tạo mảng kìm quang tạo mảng kìm N ´ N mặt tán xạ 12 Hình 1.10 Mảng kìm 4´ tạo hệ quang nhiễu xạ hạt thủy tinh bẫy (a); Mảng thủy tinh bẫy sau 1/3s (b); Các hạt thủy tinh bẫy sau 3,1s (c) Quỹ đạo chuyển động hạt thủy tinh sau tắt laser (d) 13 Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo mản kìm 2,5D thơng minh 14 Hình 1.12 Mảng kìm mảng vi cầu bẫy [11] 15 Hình 1.13 Quá trình tạo mảng trụ SU-8 chùm proton 16 ăn mịn hóa học 16 Hình 1.14 Ảnh qua kính hiển vi mảng vi thấu kính [12] 17 Hình 1.15 Mảng hai chiều vết laser He-Ne qua mảng vi thấu kính [12] 18 Hình 1.16 Sơ đồ mảng kìm học sử dụng mảng vi thấu kính 19 quang trình chùm laser 19 Hình 1.17 Ảnh hiển vi mảng vi cầu [12] 20 vi Hình 1,18 Sơ đồ kìm theo cấu hình tích hợp mảng vi thấu kính 21 buồng mẫu 21 Hình 1.19 Sơ đồ quang tính tiêu cự vi thấu kính 22 Hình 1.20 Mảng vi thấu kính từ quang trở PMMA [12] 22 Hình 1.21 Phân bố laser tiêu điểm vi thấu kính vi cầu bẫy 23 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc nguyên lý bẫy quang học sử dụng hai khe sáng 26 1: Chùm laser Gauss; 2, 3: Thấu kính hội tụ; 4: Chùm tia sau mở rộng; 26 5: Hai khe sáng; 6: Vùng giao thoa; 7: Chất lưu chứa vi hạt; 26 8: Đế thủy tinh đặt mẫu 26 Hình 2.2 Phân bố cường độ mặt phẳng (X,Y) trường giao thoa 27 Hình 2.3 Vân giao thoa ánh sáng qua hai khe 27 Hình 2.4 Sơ đồ hình học mơ tả giao thoa hai sóng 28 Hình 2.5 Phân bố cường độ ánh sáng theo tọa độ x 31 P0=1.104W, 2a= 0,5mm, d=1cm 31 Hình 2.6 Phân bố cường độ mặt phẳng (X,Y) 32 P0=1.104W, 2a= 0,5mm, d=1cm, W0=40μm 32 Hình 2.7 Phân bố quang lực tác động lên vi hạt có nvh / nm  33 Hình 2.8 Phân bố quang lực tác động lên vi hạt nvh / nm  34 Hình 2.9 Vị trí tâm ổn định vi hạt m>1 thay đổi với khoảng cách khác nhau: 35 Hình 2.10 Vị trí tâm ổn định vi hạt m>1 thay đổi với khoảng cách khác 36 Hình 2.11 Thay đổi vị trí ổn định vi hạt m>1 vân 36 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Từ laser - nguồn ánh sáng kết hợp cao, đơn sắc, định hướng công suất cao đời, nhiều linh kiện, thiết bị quang học ứng dụng laser phát triển phục vụ khoa học công nghệ đời sống Các thiết bị quang ngày đại với nhiều tính chất ưu việt hơn, đặc biệt, có độ phân giải cao không gian thời gian Một thiết bị có tính chất bẫy quang học kìm quang học Kìm quang học dụng cụ cho mục đích giam giữ điều khiển vi hạt chứa chất lưu hoạt động dựa vào áp lực ánh sáng lên vật chất hay gọi quang lực [1] Khi chiết suất vi hạt lớn chiết suất môi trường, chùm laser phân bố Gauss (Gausian beam) giam vi hạt thắt chùm nó, nơi có cường độ mạnh Ngược lại, chiết suất vi hạt nhỏ chiết suất môi trường, chùm tia laser Hollo-Gaussian giam vi hạt tâm nó, nơi có cường độ nhỏ Như vậy, chùm laser hội tụ mạnh vào điểm đó, giam giữ vi hạt tâm tiêu diện gọi kìm quang học đơn Kìm quang học đơn giam giữ điều khiển đơn vi hạt Để đồng thời giam giữ điều khiển nhiều vi hạt, mảng kìm quang học đề xuất Mảng kìm quang học thiết kế, dựa vào nguyên lý quét chùm tia [3], nhiễu xạ chùm laser qua cách tử nhiễu xạ [3,4], nhờ mảng vi thấu kính [5] giao thoa ánh sáng [2,6,7,8] Trong mảng kìm quang học sử dụng hiệu ứng giao thoa, vi hạt có chiết suất nhỏ lớn chiết suất chất lưu giam giữ điều khiển Tuy nhiên, đến lúc khả chưa minh chứng cách tường minh chưa có cơng trình cơng bố Do đó, cần có nghiên cứu cụ thể vấn đề Với lý trên, đề xuất đề tài: “Điều khiển đồng thời hai loại vi hạt bẫy quang học theo nguyên lý giao thoa ánh sáng” Mục đích nghiên cứu đề tài - Trình bày nguyên lý hoạt động số mảng kìm quang học - Khảo sát trình điều khiển vi hạt theo nguyên lý giao thoa ánh sáng từ hai khe Nhiệm vụ nghiên cứu - Trình bày nguyên lý hoạt động bẫy quang học cấu hình số mảng bẫy (kìm) quang học - Tính tốn phân bố cường độ laser mặt phẳng vết giao thoa hệ giao thoa sử dụng hai khe sáng - Khảo sát phân bố quang lực gradient ngang tác động lên vi hạt có tỉ lệ chiết suất khác bình luận nguyên lý điều khiển Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mảng bẫy quang học theo nguyên lý giao thoa ánh sáng; - Phân bố cường độ laser quang lực mặt phẳng mẫu nguyên lý điều khiển vi hạt Phương pháp nghiên cứu - Trên sở nguyên lý hoạt động bẫy quang học vi cầu chùm tia chất lưu để nghiên cứu so sánh bẫy quang học khác nhau; - Bằng phần mềm máy tính, mơ phân bố cường độ giao thoa hai chùm laser Gaussian chất lưu, khảo sát phân bố quang lực gradient ngang tác động lên vi hạt có tỉ lệ chiết suất khác so với chất lưu; 26 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc nguyên lý bẫy quang học sử dụng hai khe sáng 1: Chùm laser Gauss; 2, 3: Thấu kính hội tụ; 4: Chùm tia sau mở rộng; 5: Hai khe sáng; 6: Vùng giao thoa; 7: Chất lưu chứa vi hạt; 8: Đế thủy tinh đặt mẫu 2.2 Nguyên lý hoạt động Trong trường giao thoa, phân bố cường độ có dạng hình 2.2 Trên trục x, cường độ phân bố theo hàm sin Trên trục y, cường độ phân bố theo hàm Gauss Tuy nhiên, độ biến thiên cường độ trục y khơng đáng kể chùm tia mở rộng trước qua khe Mặt khác, với giả thiết chiều dài khe lớn nhiều so với chiều rộng nên hiệu ứng tán xạ không xẩy theo trục y Nếu quan tâm đến khoảng giới hạn định tương đối ngắn theo trục y, vân giao thoa vạch thẳng có phân bố cường độ laser theo hàm sin (hình 2.3) 27 y x Hình 2.2 Phân bố cường độ mặt phẳng (X,Y) trường giao thoa Hình 2.3 Vân giao thoa ánh sáng qua hai khe Theo nguyên lý hoạt động bẫy quang học [1], vi hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường (vi hạt màu trắng) bị đẩy vào vùng có cường độ laser cao, ngược lại, vi hạt có chiết suất nhỏ chiết suất môi trường (vi hạt màu xanh nước biển) bị đẩy vào vùng có cường độ laser thấp Như vậy, mảng kìm quang học sử dụng hai khe sáng sử dụng để giam điều khiển hai dạng vi hạt có chiết suất nhỏ hay lớn chiết suất chất lưu Chúng ta phân biệt ứng dụng sau: + Nếu chất lưu có vi hạt chiết suất thấp chiết suất chất lưu chúng giữ vạch cường độ laser cực tiểu; 28 + Nếu chất lưu có vi hạt chiết suất cao chiết suất chất lưu chúng giữ vạch cường độ laser cực đại; + Nếu chất lưu có đồng thời hai dạng vi hạt chiết suất thấp cao chiết suất chất lưu, chúng tách thành hai nhóm, nhóm giữ vạch có cường độ cực tiểu nhóm vạch có cường độ cực đại Do vạch cực đại cực tiểu thay đổi cấu trúc hệ giao thoa thay đổi nên vị trí vi hạt chất lưu thay đổi theo Đây q trình điều khiên vi hạt Nhằm minh chứng cụ thể nguyên lý trên, tính tốn phân bố cường độ laser quang lực tác động lên vi hạt mặt phẳng chứa chất lưu cụ thể 2.3 Phân bố cường độ laser trục x Giả thiết hai khe có chiều dài lớn nhiều so với chiều rộng Khi đó, ánh sáng từ hai khe xem sóng phẳng theo trục y song song với khe sóng cầu theo trục x vng góc với khe Chúng ta quan tâm đến trường giao thoa ánh sáng mặt phẳng (X, Z) Mơ hình quang sử dụng cho việc tính cường độ trình bày hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ hình học mơ tả giao thoa hai sóng 29 Giả sử có hai sóng cầu cơng suất bước sóng  xuất phát từ hai khe hai vị trí (a,0,0) (-a,0,0) trục x (hình 2.4) Hai sóng giao thoa với mặt phẳng z  d thỏa mãn điều kiện lớn nhiều so với khoảng cách hai khe tọa độ cần khảo sát, tức là: d  2a d  x (2.1) Khi đó, sóng cầu từ hai khe làm gần sóng cận trục (paraxial) [16]: U1,2 ( x, z )  đó, U1,2 ( x, z )  A x2  exp   jkz  exp   jk  z 2z   (2.2) dao động (displacement) hai sóng, A biên độ dao động hai sóng hai khe, k  2 /  số sóng Hai sóng chồng chập với nên vị trí x dao động sóng tổng tính sau: U ( x)  U1 ( x, z1 )  U ( x, z2 )    A x2  A x2  exp   jkz1  exp   jk   exp   jkz1  exp   jk  z1 z1  z1 z1    (3.3) Cường độ sóng tổng hợp là: I ( x)  U ( x)  U1 ( x, z1 )  U ( x, z2 )  U1 ( x, z1 )  U ( x, z2 ) 2 2  U1* ( x, z1 )U ( x, z1 )  U1 ( x, z1 )U 2* ( x, z1 ) (2.4) Thay (2.3) vào (2.4) ta có:   A x2  A x2  exp  jkz1  exp  jk  exp   jkz1  exp   jk  z1 z1   z1  z2    A x2  A x2   exp   jkz1  exp   jk  exp  jkz1  exp  jk  z1 z1  z2   z1  I ( x)  I1 ( x, z1 )  I ( x, z2 )  hay (2.5) 30 A  A  I ( x)        z1   z2     x2 x2     x2 x2   A A    exp  jk ( z1  z2 )  exp  jk     exp   jk ( z1  z2 )  exp   jk     z1 z2   z1 z2      z1 z2    2 2 A  A  A A       exp  jk ( z1  z2 )   exp   jk ( z1  z2 )    z1   z2  z1 z2 (2.6) A  A  A A      2 cos  k ( z1  z2 )  z1 z2  z1   z2  Từ hình 2.4, ta tính độ lệch pha hai sóng: k ( z1  z2 )  2 ax d (2.7) Thay (2.7) vào (2.6) có: 2 A  A  A A  2 ax  I ( x)        cos   z1 z2  d   z1   z2  Với giả thiết cận trục, lấy gần (2.8) z1  z2  d , đó, phương trình (2.8) viết lại sau: 2 A  A  A A  2 ax  I ( x)        cos   z1 z2  d   z1   z2  A  A   2 ax        cos    d   d   d  P   2 ax    02 1  cos   d    d  2 (2.9) đó, P0  A2 (W ) cơng suất hai sóng tính hai khe Giả thiết chùm tia laser bước sóng   1.00 m có cơng suất trung bình hai khe P0  1.104 W Khoảng cách hai khe 2a  0,1mm , d  1cm Bằng phần mềm Matlap, phân bố cường độ trục x trình bày hình 2.5 31 Hình 2.5 Phân bố cường độ ánh sáng theo tọa độ x P0=1.104W, 2a= 0,5mm, d=1cm Phân bố cường độ tính theo cơng thức (2.9) hình 2.5 tính cho trường hợp mà công suất khe không phụ thuộc vào tọa độ y Thực tế, chùm tia laser mở rộng hệ quang, phân bố khơng phẳng hồn tồn mà cịn dạng Gauss với mặt thắt lớn Giả sử rằng, sau mở rộng, bán kính thắt chùm tăng lên W0= 40µm, tức cơng suất tồn khe mơ tả bởi:  y2  P(y)  P0 exp     W0  (2.10) Thay (2.10) vào (2.9) nhận được: I ( x, y )   y2   P0  2 ax   exp    1  cos   d   d   W0   (2.11) Khi đó, phân bố khơng gian hai chiều (X,Y) mặt phẳng cách hai khe khoảng d  1cm trình bày hình 2.6 32 Hình 2.6 Phân bố cường độ mặt phẳng (X,Y) P0=1.104W, 2a= 0,5mm, d=1cm, W0=40μm Rõ ràng, với bán kính thắt chùm chùm tia sau mở rộng 40 μm, phân bố cường độ trục y gần phẳng, đó, gradient cường độ khơng lớn , bỏ qua quang lực dọc theo trục y Chỉ có cường độ laser tác dụng lên vi hạt theo trục x 2.4 Khảo sát phân bố quang lực gradient Từ tính tốn lý thuyết, quang lực gradient ngang tác động lên vi hạt chế độ Rayleigh tính theo cơng thức sau [1]: đó, vi hạt Fgr , x  2 nm a3  m2      x I (x) c m 2 nm chiết suất chất lưu chứa vi hạt, nvh (2.12) m  nvh / nm tỉ số chiết suất chiết suất chất lưu Sau thay (2.9) vào (2.12) thực lấy đạo hàm theo x, nhận được: Fgr , x   xˆ 8 nm R3 aP0  d 3c  m2    2 ax    sin    m    d  (2.13) 33 Giả thiết chất lưu nm  1,33 có vi hạt thủy tinh kích thước R  50nm chiết suất nvh  1, Phân bố quang lực gradient ngang tác động lên vi hạt trình bày hình 2.7 Chúng ta nhận thấy, với vi hạt có vùng ổn định bao quanh tọa độ:  dn  2 ax  cos  , n  0,1, 2,    xod   d a   (2.14) Tọa độ gọi tâm ổn định n gọi bậc tâm ổn định Khi vi hạt nằm lân cận bên trái bên phải tâm ổn định xod , bị kéo vào tâm Mũi tên hình 2.7 hướng chuyển động vi hạt có chiết suất lớn chiết suất chất lưu Hình 2.7 Phân bố quang lực tác động lên vi hạt có nvh / nm  Giả sử chất lưu có chiết suất nm  1,5 vi hạt thủy tinh phân bố quang lực thay đổi có dạng hình 2.8 Ta thấy, tâm vùng ổn định vi hạt khơng cịn lân cận tọa độ x cũ chuyển sang vị trí thỏa mãn điều kiện: 34 n d  2 ax  cos  , n  1, 2,3 ,   1  x  2a  d  (2.15) Như vị trí hai vi hạt chiết suất lớn nhỏ so chiết suất chất lưu cách khoảng ½ chu kỳ hàm cos Tương tự trường hợp vi hạt chiết suất lớn chiết suất chất lưu, vi hạt bị kéo vào tâm ổn định từ hai phía Hình 2.8 Phân bố quang lực tác động lên vi hạt nvh / nm  Trong thực nghiệm, việc điều khiển chuyển vi hạt sau giữ tới vị trí xác định khơng gian ba chiều Thơng thường vi hạt giữ vùng ổn định bao quanh tâm ổn định Do đó, việc điều khiển vi hạt mặt phẳng mẫu thực việc chuyển tâm ổn định Theo công thức (2.14) (2.15), thay đổi tâm ổn định xod cách thay đổi khoảng cách hai khe a khoảng cách từ hai khe đến mặt phẳng mẫu d Trong trường hợp thay đổi a , 35 tâm ổn định thay đổi cách thay đổi khoảng cách d Hình 2.9 ví dụ thay đổi khoảng cách d Hình 2.9 Vị trí tâm ổn định vi hạt m>1 thay đổi với khoảng cách d khác nhau: d  1cm (đỏ), d  1,05cm (xanh cây), d  1,1cm (xanh nước biển), d  1,5cm (xanh da trời) với cố định a  50 m Chúng ta nhận thấy, khoảng cách d lớn, tâm ổn định thấp khơng thay đổi, tâm ổn đinh bậc cao dịch xa tâm ổn định bậc thấp Trong trường hợp mặt phẳng mẫu khơng thể thay đổi, việc điều khiển thực cách thay đổi khoảng cách hai khe (nếu điều kiện cơng nghệ cho phép) Hình 2.10 cho thấy thay đổi tâm ổn định thay đổi khoảng cách hai khe a 36 Hình 2.10 Vị trí tâm ổn định vi hạt m>1 thay đổi với khoảng cách a khác : a  50 m (đỏ), a  45 m (xanh nước biển), a  40 m (xanh cây), a  35 m (xanh da trời) với d  1cm Hình 2.11 Thay đổi vị trí ổn định vi hạt m>1 vân Như vậy, tâm vùng ổn định thay đổi nhanh thay đổi khoảng cách hai khe sáng Từ hai khảo sát trên, mơ tả phụ thuộc 37 vị trí tâm ổn định vi hạt m>1 vào hai khoảng cách hình 2.11 Từ hình 2.11 nhận thấy, muốn vị trí ổn định gần với tọa độ x=0, cần phải tăng khoảng cách hai khe giảm khoảng cách từ mặt phẳng mẫu đến hai khe 2.5 Kết luận Sơ đồ cấu tạo mẫu mảng bẫy quang học sử dụng hai khe sáng trình bày Sự hình thành trường giao thoa biểu thức mơ tả dẫn Bằng khảo sát số, thu được: - Phân bố cường độ trường laser mặt phẳng tiêu; - Phân bố quang lực gradient ngang tác động lên vi hạt nằm trường laser cho hai trường hợp m>1 m xung quanh tâm cực đại vi hạt có m