Phân bố quang lực tán xạ trong bẫy quang học một chùm hollow gauss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐÀM VĂN HIỆP PHÂN BỐ QUANG LỰC TÁN XẠ TRONG BẪY QUANG HỌC MỘT CHÙM HOLLOW - GAUSS LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN 5-2015 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐÀM VĂN HIỆP PHÂN BỐ QUANG LỰC TÁN XẠ TRONG BẪY QUANG HỌC MỘT CHÙM HOLLOW - GAUSS Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.11.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ n n o : TS Mai Văn Lƣu NGHỆ AN 5-2015 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu luận văn nhận quan tâm giúp đỡ nhiệt tình nhiều tập thể nhiều cá nhân Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo chuyên ngành quang học trường Đại học Vinh, người trực tiếp tham gia giảng dạy trình học tập nghiên cứu Cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Cơng nghệ, Phịng Đào tạo Sau Đại học tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu trường Đại học Vinh Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp Cao học 21 chuyên ngành Quang học sở đào tạo trường Đại học Vinh, gia đình người thân giúp đỡ, động viên tơi q trình làm luận văn Đặc biệt xin đươc chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Mai Văn Lưu, người định hướng cho đề tài giúp đỡ tơi tận tình suốt q trình làm luận văn Với tình cảm trân trọng tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giúp đỡ quý báu Tác giả luận văn Đàm Văn Hiệp ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU Chương BẪY QUANG HỌC 1.1 Photon 1.2 Năng lượng xung lượng photon 1.3 Quang lực tác động lên hạt vi mô 1.3.1 Áp suất xạ lên vật thể 1.3.2 Quang lực tác dụng lên hạt vi mô 10 1.3.3 Quang lực tác dụng lên hạt vật chất chế độ Rayleigh 13 1.4 Nguyên lý hoạt động bẫy quang học 13 1.5 Ứng dụng bẫy quang học 18 1.6 Kết luận chương 20 Chương PHÂN BỐ QUANGLỰC TÁN XẠ TRONG BẪY QUANG HỌC MỘT CHÙM HOLLOW – GAUSS 22 2.1 Sơ đồ bẫy quang học chùm tia……………………………… 22 2.2 Biểu thức mô tả cường độ chùm Hollow - Gauss…………………23 2.3 Phân bố cường độ chùm tia Hollow - Gauss bẫy quang học …25 2.4 Phân bố quang lực bẫy quang học chùm Hollow - Gauss 27 2.4.1 Phương trình mô tả quang lực 27 2.4.2 Phân bố quang lực tán xạ Fscat 29 2.5 Kết luận chương 33 KẾT LUẬN CHUNG 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 iii DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị c Vận tốc ánh sáng chân khơng m/s  Bước sóng chùm laser m h Hằng số Planck J.s  Hằng số Planck rút gọn J.s  Tần số sóng Hz k Số sóng 1/s n1 Chiết suất hạt n2 Chiết suất mơi trường xung quanh a Bán kính hạt  Hệ số hấp thụ lần  Góc tạo chùm tia trục 0 m Độ Hằng số đại diện cho hiệu số điện môi hạt môi trường xung quanh  Hệ số phân cực hạt hình cầu chế độ Rayleigh D Khoảng cách hai đỉnh xung mm E Véc tơ cường độ điện trường V/m E0 Năng lượng tổng chùm tia J 0 Độ điện thẩm chân không F/m  F  Fscat  Fgrad  Fp  Ft Lực photon pN Lực tán xạ pN Lực gradient pN Lực Lorentz pN Thành phần lực biến đổi từ trường pN H Hàm Haminton iv 0 Độ từ thẩm chân không Pp Công suất bơm pl Véc tơ momen lưỡng cực pd Độ lớn động lượng hạt P0 Công suất lượng đầu vào  Toạ độ xuyên tâm  Véc tơ đơn vị theo hướng xuyên tâm W Bán kính tiết diện thắt chùm m W0 Bán kính tiết diện thắt chùm mặt phẳng z = m H/m w Kg.m/s w mm z Véc tơ đơn vị dọc theo hướng truyền chùm tia z  B Véc tơ cảm ứng từ T h Năng lượng trung bình photon bơm J U Năng lượng chùm Gauss laser J  ik Ten sơ lực căng S Độ lớn Spin photon E0 Biên độ cường độ điện trường  Độ cảm điện mơi  Tần số Rabi  Tốn tử Napla  Biên độ phức chùm ánh sáng f Tiêu cự thấu kính ADP ATP AND SNNM (Adenosine di phosphate) nucleotide (ađênôzin triphôtphat) phân tử có cấu tạo gồm thành phần: ađênin, đường ribơzơ nhóm phơtphat (Axit Deoxyribo Nucleic) phân tử acid nucleic mang thông tin di truyền (Strongly Nonlocal Nonlinear Media) Môi trường truyền phi tuyến V/m mm v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình Feynman mơ tả electron positron trao đổi photon Hình 1.2 Thí nghiệm tưởng tượng nhằm xác định vị trí electron (màu xanh) kính hiển vi tia gamma độ phân giải cao Hình 1.3 Ví dụ tượng phản xạ khúc xạ giao diện Hình 1.4 Quang trình khúc xạ hai tia qua hạt hình cầu nằm trước tiêu điểm chùm Gauss 10 Hình 1.5 Quang trình khúc xạ hai tia qua hạt hình cầu nằm sau tiêu điểm chùm tia 11 Hình 2.1 Sơ đồ quang học bẫy quang học chùm Hollow - Gauss……… 22 Hình2.2 A) Sự giao chùm Gauss: B) Hệ thống quang học tạo chùm tia Hollow Gausian; C) Sự giao chùm Hollow 24 Hình 2.3 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia đến phân bố cường độ chùm Hollow - Gauss tiết diện ngang: 26 Hình 2.4 Phân bố cường độ chùm tia Hollow - Gauss tiết diện ngang nét liền (màu đỏ) cho w0 = 1µm nét đứt (màu đen) cho w0 =3µm 27 Hình 2.5 Vùng bẫy hạt sử dụng chùm Hollow – Gauss 29 Hình 2.6 Phân bố quang lực tán xạ điểm khác tiết diện ngang: 30 Hình 2.7 Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc bán kính mặt thắt chùm tia 31 Hình 2.8 Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc khoảng cách D 32 Hình 2.9 Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc tiêu cự thấu kính f 33 MỞ ĐẦU Từ laser đời đến ứng dụng nhiều vào sống, khoa học công nghệ Một ứng dụng quan trọng laser "sử dụng laser để làm lạnh, hay làm chậm vận tốc chuyển động nhiệt hạt vi mơ", nhằm mục đính nghiên cứu tính chất lý hóa hạt vi mơ Phương pháp gọi bẫy quang học Trong trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, khía cạnh cần quan tâm mode laser Những bước sóng ánh sáng mặt thắt chùm tia,… phải phù hợp với đặc trưng hạt hệ số hấp thụ, kích thước hạt,… Hầu hết hạt cỡ nm, m, nguyên tử tế bào sinh vật bị mắc bẫy.Các nhà khoa học giới thuộc lĩnh vực như: dược, sinh học, vật lí hạt nhân, lượng,… sử dụng ứng dụng khác bẫy quang học để giữ thao tác hạt vi mơ Đến có nhiều cơng trình ngồi nước nghiên cứu bẫy quang học [2,4,5], cụ thể: cách tính quang lực tác động lên hạt liên quan trực tiếp đến chế độ, kích thước hạt nhỏ a   (chế độ Rayleigh) hay lớn a   bước sóng laser (chế độ quang hình-Mie) Đối với chế độ Rayleigh, quang lực tác động hạt có hai loại: qu n lự gradient theo chiều thay đổi cường độ ( I  ) lự tán xạ tỉ lệ thuận cường độ I , lực xuất tỉ số chiết suất hạt (n1)và chiết suất môi trường xung quanh (n2) khác không Lực tán xạ luôn chiều với chiều lan truyền ánh sáng Còn hai lực gradient: theo chiều truyền lan ánh sáng- lự ngang-lự r r ent theo bán kính hướng tâm tiết diện ent n n , có hướng phụ thuộc vào giá trịcủa m  n1 Như n2 vậy, lực tán xạ khơng có tác dụng giam giữ hạt Lực gradient giam giữ hạt lực có xu hướng éo ạt từ vùn ó n độ yếu vào vùn ó n độ mạn n độ yếu m 1 m  éo ạt từ vùn ó n độ mạn vào vùn ó Như vậy: - Để bẫy hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường ( m  ) điểm xác định đó, phân bố cường độ chùm tia phải có đỉnh điểm chọn (ví dụ phân bố Gauss phân bố tam giác ) - Muốn giữ hạt có chiết suất nhỏ chiết suất mơi trường ( m  ) phải sử dụng chùm tia có cường độ phân bố lõm, tức cực tiểu điểm cho, hạt có xu hướng chuyển động phía cường độ cực tiểu Tiêu biểu cho phân bố phân bố Hollow -Gauss Phân bố sử dụng để bẫy hạt có chiết suất nhỏ chiết suất mơi trường Đến nay, có nhiều nghiên cứu bẫy quang học mà chiết suất hạt lớn chiết suất môi trường (tức trường hợp m  (chiết m  ) Tuy nhiên, suất hạt nhỏ chiết suất môi trường) vấn đề cịn chưa đề cập nhiều Do đó, khn khổ luận văn tốt nghiệp lựa chọn đề tài “Phân bố quang lực tán xạ bẫy quang học chùm Hollow - Gauss”.Với lý đó, luận văn chúng tơi tập trung nghiên cứu phân bố ảnh hưởng số tham số đến giá trị quang lực tán xạ bẫy quang học Với nội dung nghiên cứu trên, nội dung luận văn trình bày hai chương: Chƣơng Bẫy quang học Chương trình bày khái niệm photon, lượng xung lượng photon, quang lực tác dụng lên hạt vi mô, nghiên cứu áp suất xạ lên vật thể, chất hình thành quang lực tác động lên hạt vi mô Trên sở đó, trình bày quang lực tác dụng lên hạt chế độ Rayleigh Chƣơng Phân bố quang lực tán xạ bẫy quang học chùm Hollow – Gauss Thông qua biểu thức mô tả thành phần quang lực tán xạ tác dụng lên hạt cầu vi mô luận văn mô phân bố quang lực bẫy quang học, từ định hướng giá trị tham số nhằm hạn chế ảnh hưởng không tốt quang lục tán xạ đến độ ổn định bẫy quang học 23 - Chùm Hollow - Gauss sau qua thấu kính L3 tạo thành chùm tia song song truyền đến gương lưỡng sắc M1 Ánh sáng laser phản xạ gương M1 truyền đến vật kính L2, sau hội tụ giá đỡ mẫu P (giá đỡ mẫu dùng để điều chỉnh tiêu mẫu, hạt mẫu thả chất lỏng đựng giá đỡ mẫu) - Việc quan sát mặt phẳng mẫu thực nhờ nguồn sáng khác (LED) Ánh sáng từ đèn LED qua thấu kính L1, hội tụ mẫu P, qua gương lưỡng sắc M1 sau phản xạ gương M2 hội tụ camera CCD Để tăng độ nét ảnh tránh phá hủy tế bào nhạy quang camera xạ laser ta sử dụng lọc ánh sáng - cho ánh sáng đèn LED vào camera Hệ thống kết nối máy tính để quan sát vị trí mẫu hình ghi lại hình ảnh hạt bị bẫy 2.2 Biểu thức mô tả cƣờng độ chùm Hollow - Gauss Chùm laser Gauss chùm tia mode (TEM 00) buồng cộng hưởng có dạng Gauss Từ tìm ra, chùm Gauss ứng dụng rộng rãi khoa học công nghệ, có ứng dụng bẫy quang học nhằm mục đích nghiên cứu tính chất thao tác hạt vi mô Trong bẫy laser, chùm Gauss sử dụng để bẫy hạt có chiết suất lớn chiết suất môi trường xung quanh (n1>n2) Nhưng hạt có chiết suất nhỏ chiết suất mơi trường xung quanh (n1