Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia laser lên sự ổn định của bẫy quang học sử dụng hai xung gauss ngược chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGU N QU C D NG ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪ QUANG HỌC S DỤNG HAI UNG GAUSS NGƯ C CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGU N QU C D NG ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪ QUANG HỌC S DỤNG HAI UNG GAUSS NGƯ C CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn: PGS TS Hồ Quang Quý VINH, 2009 LỜI CẢM N Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý - người định hướng đề tài, tận tình chu đáo dành nhiều công sức để dẫn, giúp đỡ cho tơi nhiều q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn đến : Thầy giáo PGS.TS Đinh Xuân Khoa, TS Đoàn Hoài Sơn , TS Vũ Ngọc Sáu, TS Nguy n Văn H a đ ng g p, dẫn cho q trình học tập nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Vinh, thầy cô giáo khoa Sau Đại Học, khoa Vật lí tạo điều kiện, giúp đỡ tơi c môi trường học tập nghiên cứu, học tập thuận lợi Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 15-Quang học san sẻ vui, buồn vượt qua kh khăn học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Vinh, tháng 10 năm 2009 Tác giả Nguy n u c D ng MỤC LỤC Trang Mục lục Mở đầu Chương I BẪ QUANG HỌC 1.1 Photon ………………………………………………………… 1.2 Động lượng photon ……………………………………… 1.3 Chùm Laser Gauss …………………………………………… 1.3.1 Khái niệm chùm Laser Gauss…………… ……………… 11 1.3.2 Biên độ chùm Gauss……………………………………… 12 1.3.3 Bán kính chùm tia ……………………………………… 13 1.4 Xung Gauss …………………………………………… ………… 14 1.4.1 Biên độ xung Gauss……………………………………………… 15 1.4.2 Cường độ xung Gauss…………………………………………… 15 1.5 Quang lực ………………………………………………………… 1.5.1 Khái niệm ……………………………………………… 16 16 1.5.2 Quang lực đơn xung Gauss tác động lên hạt điện môi… 20 1.5.3 Quang lực hai xung Gauss ngược chiều tác động lên hạt 22 1.6 Cấu hình bẫy quang học ……………………………………… 23 1.6.1 Bẫy chùm Gauss…………………………………… 24 1.6.2 Bẫy hai chùm Gauss liên tục……………………………… 25 1.6.3 Bẫy hai xung Gauss ngược chiều………………………… 26 1.7 Ứng dụng bẫy quang học……………………………………… 26 1.8 Kết luận chương I ………………………………………………… 28 Chương II SỰ ỔN ĐỊNH CỦA HẠT ĐIỆN MƠI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BẪ QUANG HỌC 2.1 Mơi trường chứa mẫu ……………………………………… 29 2.2 Các lực tác động lên hạt mẫu …………………………………… 29 2.2.1 Quang lực gradient………………………………………… 29 2.2.2 Lực Brown…………………………………………………… 29 2.2.3 Lực trọng trường …………………………………………… 30 2.2.4 Lực ma sát nhớt……………………………………………… 31 2.2.5 Lực hidrat …………………………………………………… 31 2.2.6 Lực đẩy Acsimet…………………………………………… 31 2.3 Quá trình động học hạt chất lưu, phương trình Lagenvin….31 2.4 Quá trình động học hạt tác động bẫy quang học …… 33 2.5 Các nhân tố ảnh hưởng tới ổn định hạt mẫu…………… 34 2.6 Phương pháp mô ………………………………………… 35 2.7 Kết luận chương II …………………………………………… 36 Chương III ẢNH HUỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪ QUANG HỌC 3.1 Phân bố lượng hai xung Gauss ngược chiều ……… 3.1.1 Ảnh hưởng khoảng cách d đến cường độ tổng………… 37 40 3.1.2 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt w0 đến cường độ tổng…… 41 3.2 Phân bố quang lực bẫy ………………………………………… 42 3.2.1 Phân bố lực Fgrad mặt phẳng pha (ρ,t) ……………… 42 3.2.2 Phân bố lực Fgrad, ρ mặt phẳng pha (z,ρ) ………… 43 3.3 Mơ q trình chuyển động hạt chưa có quang lực tác dụng 44 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy ………… 45 3.4.2 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt tâm bẫy …… 50 3.5 Kết luận chương III ……………………………………………… 55 Kết luận chung ………………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………… 58 MỞ ĐẦU Bẫy quang học (optical trap) hay kìm quang học (optical tweezer) thiết bị giam giữ đối tượng nghiên cứu c kích thước cỡ nguyên tử: hạt điện môi (dielectric nanoparticles), nguyên tử sau bị làm lạnh laser (laser cooling), hồng cầu, tế bào lạ, Nguyên lý hoạt động bẫy quang học dựa tác động quang lực (optical force) lên hạt c kích thước cỡ nanomet Mục tiêu bẫy quang học ổn định đối tượng nghiên cứu Chất lượng bẫy cao độ ổn định cao vùng ổn định lớn thời gian ổn định dài Quá trình ổn định phụ thuộc nhiều điều kiện như: cấu hình bẫy (structure), độ lớn quang lực (magnitude of optical force), độ lớn lực Brown (magnitude of Brown force), nhiệt độ chất lưu (temperature of fluid), … Những vấn đề không đề cập tới sử dụng chùm laser liên tục Tuy nhiên, để nâng cao quang lực, laser xung có cơng suất lớn áp dụng bẫy quang học vấn đề ổn định theo thời gian cần phải quan tâm nghiên cứu Đây nội dung bỏ ngõ lý thuyết thực nghiệm Hiện nay, c 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 đề tài cần đến trình ổn định đối tượng nghiên cứu Từ năm 1970, Ashkin, c ý tưởng sử dụng chùm laser để giam giữ hạt c kích thước cỡ micro nano [7] Từ đ đến nhiều cơng trình nghiên cứu bẫy quang học kìm quang học quan tâm nghiên cứu [8, 9, 10, 11, 15] Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào bẫy quang học sử dụng chùm laser liên tục c quang lực đạt cỡ hàng trăm pN, hay sử dụng xung Gauss c độ rộng xung lớn hiệu suất bẫy không cao, chưa đề cập đến chuyển động nhiệt Brown đối tượng nghiên cứu môi trường (hay chất lưu), chưa quan tâm đến độ lớn vùng ổn định thời gian ổn định, Cho đến năm 2007 nhiều cơng trình giới cơng bố kết nghiên cứu bẫy quang học, đặc biệt kết sử dụng bẫy quang học nghiên cứu đối tượng sinh, hoá học Sử dụng bẫy quang nghiên cứu bạch cầu hồng cầu trong tế bào sống [17, 19], nghiên cứu hạt vàng nano [10] Từ kết nghiên cứu xuất vấn đề cần đề cập ảnh hưởng lực khác lên đối tượng nghiên cứu gây nên ổn định mẫu Những vấn đề chưa quan tâm nghiên cứu Việt Nam lý thuyết, thực nghiệm ứng dụng Việc chưa c nh m nghiên cứu quan tâm c thể chưa thấy đối tượng ứng dụng thực tế kh khăn tài thiết bị đại Sau Bộ KHCN c hướng nghiên cứu phát triển thiết bị laser vào nghiên cứu y học, sinh học, đặc biệt kính hiển vi sử dụng laser thiết bị làm lạnh nguyên tử, c ý tưởng nghiên cứu bẫy quang học nhằm hỗ trợ cho thiết bị Trong nghiên cứu gần nh m tác giả thuộc Viện KH&CNQS Trường ĐH Vinh [13], sử dụng xung Gauss làm đối xứng quang lực bẫy gây nên ổn định n , đặc biệt quang lực dọc (longitudinal force) Bẫy sử dụng hai xung Gauss truyền lan ngược chiều loại trừ tượng không đối xứng lực dọc nâng cao hiệu bẫy quang học Tuy nhiên, vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến trình ổn định mẫu hay ổn định bẫy, đ là: ảnh hưởng quang lực thông qua lượng độ rộng xung laser bơm, ảnh hưởng môi trường chứa mẫu, ảnh hưởng nhiệt độ, ảnh hưởng kích thước, dạng chiết suất mẫu Đây vấn đề cấp thiết, khoa học cập nhật đáng quan tâm nhằm mục đích (ổn định mẫu nghiên cứu) phục vụ cho việc ứng dụng thiết bị Kính hiển vi laser quét đồng tâm (Confocal laser scanning microscopy) Thiết bị làm lạnh quang học (Magneto-optical trap) Bộ KHCN cho phép nghiên cứu hai đề tài nhà nước năm 2009-2010 Vì lí nêu nên chọn đề tài là: “Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên ổn định bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss ngược chiều” Mục tiêu đề tài khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lazer nhằm đưa luận c tính khoa học, phân tích điều kiện để c thể ổn định hạt thủy tinh môi trường nước tác động bẫy quang học cấu tạo từ hai xung Gauss truyền ngược chiều Nội dung luận văn kết nghiên cứu dựa phương pháp lý thuyết mô phỏng: Trên sở lý thuyết tương tác laser với môi trường điện môi, lý thuyết chuyển động nhiệt Brown, lý thuyết lực hấp dẫn, … đề tài mô trình động học hạt tác động lực tương tác, chủ yếu quang lực lực Brown khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên độ ổn định hạt thủy tinh môi trường nước Bố cục luận văn trình bày ba chương Chương I: Bẫy quang học, giới thiệu số khái niệm photon, quang lực, chùm Gauss, xung Gauss, cấu trúc bẫy quang học số ứng dụng chúng Chương II: Sự ổn định bẫy quang học, trình bày q trình động học hạt mơi trường (fluid) thơng qua phương trình Langevin c tham gia lực như: quang lực, lực Brown, trọng lực, đồng thời giới thiệu phương pháp mô cơng cụ tính tốn phần mềm chun dụng Chương III: Trình bày số kết khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên trình ổn định hạt thủy tinh bẫy quang học cấu tạo từ hai xung ngược chiều, xây dựng đường đặc trưng mô tả phụ thuộc kích thước vùng ổn định thời gian ổn định vào bán kính mặt thắt chùm tia laser Chương I BẪ QUANG HỌC 1.1 Photon : Vật chất chia thành hai dạng: chất trường Chất bao gồm rắn ,lỏng ,khí plasma Ví dụ trường: Trường hấp dẫn, trường điện từ… Photon loại hạt trường, gọi quang tử, hạt sơ cấp Nó hạt trường điện từ Photon có spin nguyên Theo thuyết lượng tử, hạt có lưỡng tính sóng hạt, photon Sự lan truyền dao động trường điện từ, sóng điện từ, tương đương với di chuyển hạt photon Tia sáng mạnh có nhiều photon, tia sáng yếu gồm vài photon đơn lẻ, đếm máy thu có độ nhạy cao Photon khơng có khối lượng nghỉ có động lượng Theo lý thuyết tương đối, điều tương đương với việc photon phải chuyển động với tốc độ ánh sáng chân không hệ quy chiếu Năng lượng photon có bước sóng λ là: E = hc/λ với h số Planck, c tốc độ ánh sáng chân không Theo công thức thuyết tương đối: E2 – p2c2 = mo2c4 đ E lượng hạt, p động lượng hạt, m0 khối lượng nghỉ hạt 1.2 Động lượng photon: Trong dịng tia tới photon c động lượng: Pin  kin  kin rin (1.1) đ , =h/2  , kin kin vectơ s ng số s ng tương ứng, rin vectơ đơn vị dọc theo đường tia sáng tới (hình 1.1) 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 môi Số s ng biểu di n: kin  2   2 n2 0 rin  sin   i  cos   j (1.2) (1.3) đ n1 chiết suất môi trường chứa tia tới, 0 bước s ng chân không Khi đ động lượng tia tới (1.1) trở thành: Pin  hn2 sin   i  cos   j  0  (1.4) Tương tự, c thể tìm biểu thức động lượng photon truyền qua bề mặt: Pt  kt  kt rt (1.5) k , kt , rt vectơ s ng, số s ng vectơ đơn vị dọc theo hướng truyền photon truyền qua tác dụng lực Brown mà khơng c quang lực, q trình chuyển động hạt mơ trình bày hình 3.7 : a b c d H nh Quá trình chuy n động hạt chưa chịu tác dụng quang lực ( Ch chịu tác dụng lực rown) Trong hình mơ 3.7 thấy chúng chuyển động hỗn loạn phía yếu tố ngẫu nhiên định khảo sát thông số hạt Vậy c quang lực xung Gauss chuyển động hạt nào? Điều đ thấy rõ phần sau 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy Thay đổi giá trị bán kính mặt thắt chùm tia giữ nguyên thông số  =1.064m, m = n1/n2 = 1.592/1.332 , = 7.797x10-4 Pa.s, = ps, U =0,3J, kB = 4,1x10-23J/K,T = 250C=298K A0 =10-6 m, a=10 nm ta thu kết mô hình 3.8 Từ hình 3.8 thấy hạt lúc đầu 45 nằm biên bẫy ta thấy ứng với giá trị w0 khoảng thời gian ổn định hạt c giá trị khác nhau, thời gian để hạt từ biên bẫy đến tâm bẫy c giá trị khác (tức khoảng thời gian để đến ổn định nhanh chậm khác ) Giả sử thời điểm ban đầu, chưa c tác động bẫy, hạt mẫu nằm vị trí biên bẫy, cách tâm bẫy khoảng A0 = 10-6 m a b c d với trường hợp H nh Quá trình chuy n động hạt thời gian xung đối (a) w0=0,9.10-5m, (b) w0=1,2.10-5m,(c) w0=1,8.10-5m,(a) w0=2,2.10-5m Qúa trình chuyển động hạt vào tâm bẫy dao động n xung quanh tâm mơ trình bày hình (3.9) Từ kết mô thấy hạt tâm bẫy, quang lực thời điểm ban đầu cuối xung nhỏ nên lực Brown tác động làm cho n dao động xung quanh tâm bẫy thời gian từ thời điểm t = 0ps đến lân cận thời điểm 1ps ( vùng 1) xung laser tăng chậm đ quang lực gradient nhỏ, vật dao động nhỏ biên tác động lực Brown 46 Hình 3.9 Quá trình chuy n động hạt thời gian xung trường hợp w0 = 0,9.10-5 m tham số khác cố định sau ( = 1.064m, U=0,3 J, = 1ps,  = 7.797x10-4 Pa.s, 250C, m = n1/n2 = 1.592/1.332 Trong khoảng thời gian từ thời điểm t = 1ps đến lân cận thời điểm t = 1,6 ps ( vùng ) xung laser tăng mạnh, quang lực gradient lớn (tăng đột ngột), lực kéo hạt nhanh tâm bẫy Sau bị giam vùng bẫy, hạt dao động nhỏ bán kính vùng dao động hạt cỡ kích thước hạt nên c thể xem gần đứng yên (hạt ổn định) Mặc dù lực Brown quang lực tác động lên hạt, nhiên, lực Brown không thắng quang lực, quang lực đối xứng qua tâm bẫy Điều thể chương II phân bố quang lực Quá trình ổn định hạt tâm bẫy kéo dài khoảng thời gian từ lân cận thời điểm t = 1,6 ps đến lân cận thời điểm t = 4,3 ps ( vùng 3) Sau thời điểm cường độ xung nhỏ, tốc độ giảm chậm, lực gradient bé, hạt ổn định gây lực Brown ( vùng 4) Ta thấy trường hợp hình 3.8 phân chia làm bốn vùng, nhiên khoảng thời gian ổn định, độ rộng vùng ổn định vùng trường hợp khác Từ kết mô ta xét riêng vùng ổn định (vùng 3) hạt ứng với giá trị w0 sau : 47 0,22.10-7 m 2,6 (ps) H nh 3.8.a ùng Và tương tự ta c : 0,26.10-7 (m) 2,3 (ps) H nh b ùng So sánh độ rộng vùng ổn định, khoảng thời gian ổn định từ kết mô thấy bán kính mặt thắt tăng lên độ rộng vùng ổn định tăng lên (mức độ ổn định giảm) khoảng thời gian ổn định ngắn Qua đồ thị hình (3.9) thấy rằng, c tác động bẫy, hạt chuyển động nhanh tâm bẫy dao động xung quanh tâm thời gian Δt định với độ kinh động Δρ định Hơn nữa, giá trị thay đổi theo giá trị mặt thắt chùm tia Sự thay đổi đ mô trình bày hình 3.10 48 t Hình 3.10 Sơ đồ mô tả phụ thuộc khoảng thời gian ổn định vào w0 Từ hình (3.10) ta thấy với tham số cho hạt chất lưu khoảng thời gian ổn định dài ps tương ứng với bán kính mặt thắt khoảng từ 0,9.10-5 m → 10-5m Từ giá trị khoảng 10-5 m trở ta thấy lượng thời gian ổn định giảm dần theo tăng bán kính mặt thắt bán kính mặt thắt tăng dần lượng quang lực giảm dần lực Brown chiếm ưu nên tác động lực Brown làm cho hạt di chuyển ngồi tâm bẫy Cũng từ kết mơ biểu di n phụ thuộc độ rộng vùng ổn định vào bán kính mặt thắt chùm tia hình 3.11.Từ hình thấy bán kính mặt thắt nằm khoảng từ 0.9.10-5m đến 2,0.10-5 m hạt ổn định, n dao động khoảng không gian chưa vượt qua bán kính hạt, c thể xem hạt đứng yên Còn w0 =2,0.10-5 m trở lên hạt bị lắc mạnh sau đ khỏi bẫy 49 z H nh 3.11 Sơ đồ mô tả phụ thuộc độ rộng vùng ổn định vào w0 Vậy trường hợp hạt lúc đầu tâm bẫy sao? Chúng ta thấy phần sau 3.4.2 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên hạt mẫu hạt tâm bẫy Xét trường hợp lúc đầu hạt tâm bẫy, thay đổi giá trị bán kính mặt thắt thu kết mơ hình 3.14 a b Hình 3.12 Qc trình chuy n động hạt thờid gian xung trường hợp w0=1,2.10-5m,(b)w0=1,4.10-5m,(c)w0=1,6.10-5 m,(d) w0=1,8.10-5m,với thông số cố định  =1.064m, m = n1/n2 = 1.592/1.332 , = 7.797x10-4 Pa.s, = ps, U =0,3J, kB = 4,1x10-23J/K,T = 250C=298K A0 =10-6 m, a=10 nm 50 Xét trường hợp bán kính mặt thắt c giá trị 1,2.10-5 m : Vùng Vùng Vùng Vùng H nh 3.13 Quá trình chuy n động hạt thời gian xung trường hợp w0 = 1,2.10-5 m hạt tâm Từ hình 3.13 ta thấy vùng hạt chuyển động ngẫu nhiên lực Brown chiếm ưu , khoảng thời gian lực Gradient nhỏ nên hạt dao động hỗn độn xa tâm khoảng (ps) đầu ,nhưng sau đ xung laser tăng mạnh ,quang lực Gradient tăng đột ngột, lực kéo hạt quay tâm khoảng thời gian ngắn từ khoảng 1,2 khoảng thời gian từ 1,8 1,5 (ps) ( ùng 2) Sau đ hạt ổn định lâu 4,2 (ps) hạt bị giam vùng bẫy (vùng 3) lực Brown tác động quang lực chiếm ưu ,và sau thời điểm cường độ xung nhỏ, tốc độ giảm chậm, lực gradient bé, hạt ổn định cuối hạt chuyển động hỗn độn sau đ xa khỏi tâm bẫy (vùng 4) So sánh kết mô từ trường hợp hạt tâm ta thấy bán kính mặt thắt tăng dần khoảng thời gian ổn định giảm dần, độ rộng vùng ổn định tăng dần mức độ ổn định đi, vấn đề thể hình 3.12 a-1 3.12c-1 51 0,08.10-7 (m) 2,1 (ps) H nh 3.12 a-1 ùng Từ hình 3.12 c ta thu 0,12.10-7 (m) 1,9 (ps) H nh 3.12 c-1 ùng Từ kết thu nhờ mô thay đổi bán kính mặt thắt thấy trường hợp hạt tâm ta thu sơ đồ phụ thuộc độ rộng vùng ổn định vào bán kính mặt thắt khoảng thời gian ổn định vào bán kính mặt thắt hình 3.14 3.15 sau 52 z w0 Hình 3.14 Sơ đồ mơ tả phụ thuộc độ rộng vùng ổn định vào w0 Từ hình 3.14 ta thấy bán kính mặt thắt vào khoảng từ 0,9.10-5m →1,8.10-5 m hạt ổn định Sau khoảng giá trị độ rộng vùng ổn định tăng dần ,khi bán kính mặt thắt tăng dần độ rộng vùng ổn định tăng dần hạt xa t tâm bẫy ổn định khơng cịn w0 Hình 3.15 Sơ đồ mơ tả phụ thuộc khoảng thời gian ổn định vào w0 Từ hình 3.15 thấy khoảng thời gian ổn định dài bán kính mặt thắt khoảng 0,9.10-5 m đến 1,8 10-5 m bán kính mặt thắt tăng dần thời gian ổn định ngắn 53 So sánh hai trường hợp hạt tâm hạt biên ta thấy : Thứ nhất: Khi hạt biên thời gian ổn định nhanh hơn, dài cụ thể : sau khoảng 1,5(ps) hạt ổn định, cịn hạt tâm sau khoảng 1,9 (ps) hạt ổn định Thứ hai : độ rộng vùng ổn định hạt biên cao hạt tâm Vì hạt gần biên mặt thắt chùm tia cường độ lực lớn nhất, tốc độ thay đổi cường độ lớn nên hạt ổn định nhanh thời gian ổn định kéo dài Cịn hạt tâm theo phân bố cường độ lực tiến tới cân theo vào gần tâm Như :Với thông số cố định  = 1.064m, m = n1/n2 = 1.592/1.332 , = 7.797x10-4 Pa.s, = ps, U =0,3J, kB = 4,1x10-23J/K,T = 250C=298K A0 =10-6 m, a=10 nm q trình mơ chúng tơi tìm vùng lựa chọn bán kính mặt thắt (khi hạt biên bẫy ) khoảng từ 0,8.10-5 m → 3,0 10-5 m Trường hợp hạt tâm chúng tơi tìm vùng lựa chọn bán kính mặt thắt khoảng 1.10-5 m → 2,4 10-5 m Tuy nhiên vị trí hạt c thể nằm vị trí nên từ hai kết mơ chúng tơi tìm dải bán kính mặt thắt tổng hợp cho hai trường hợp nằm khoảng từ 1,0.10-5 m đến 2,4.10-5 m * Từ kết thực nghiệm ta thấy dạng đồ thị mô tả độ rộng vùng ổn định z(nm) bẫy tương tự kết mơ (hình 3.16) t (s) Hình 3.16 Đồ thị mô tả ổn định hạt mẫu theo thời gian sử dụng bẫy chùm Gauss ( kết từ thực nghiệm) 54 Từ hình 3.16 ta thấy rằng: 13 s đầu hạt chuyển động hỗn độn, kể từ thời điểm đ trở hạt mẫu dần vào ổn định, biên độ dao động tâm hạt mẫu nhỏ dần 3.5 Kết luận chương III Trong chương III khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt thủy tinh bẫy quang học Kết cho thấy rằng: bán kính mặt thắt chùm tia laser ảnh hưởng lớn đến ổn định hạt bẫy Kết cho thấy ban đầu hạt nằm biên mặt thắt sau ổn định chúng c thời gian ổn định lớn hạt ban đầu nằm tâm mặt thắt, khoảng không gian ổn định chúng lại lớn hơn, bán kính mặt thắt tăng độ ổn định hạt giảm đồng thời vùng lựa chọn bán kính mặt thắt hai trường hợp hạt tâm hạt biên Từ kết ta thấy :Với thông số cố định bước s ng  = 1.064m, tỉ số chiết suất m = n1/n2 = 1.592/1.332, độ nhớt môi trường = 797x10-4 Pa.s, thời gian xung  = ps, lượng đỉnh xung U =0,3J, số kB = 4,1x1023 J/K, nhiệt độ môi trường T = 250C=298K A0 =10-6 m, bán kính hạt mẫu a=10 nm chúng tơi chọn dải bán kính mặt thắt nằm khoảng từ 1,0.10-5 m đến 2,4.10-5 m hạt ổn định nhất, thời gian ổn định dài, vùng không gian ổn định nhỏ 55 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập trung nghiên cứu số vấn đề ổn định bẫy quang học Nội dung luận văn c thể t m lược điểm sau: Đã tổng quan quang lực ,photon ,xung lượng photon ,bẫy quang học ,năng lượng hai xung Gauss ngược chiều ,các ứng dụng bẫy quang học nghiên cứu nguyên tử, phân tử bẫy quang học (optical trap) Trình bày phương trình động học hạt chất lưu tác dụng lực: quang lực, lực đẩy Acsimet, trọng lực, lực hydrat Từ đ thấy yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hạt mẫu Đã khảo sát trình ổn định bẫy hai chùm Gauss ngược chiều phương pháp mô Từ đ ảnh hưởng cuả bán kính mặt thắt lên ổn định bẫy tìm điều kiện bán kính mặt thắt phù hợp với tham số khác bẫy hạt mẫu cho trường hợp ổn định, từ kết c thể hỗ trợ cho trình làm thực nghiệm Sau nghiên cứu phát thấy ổn định bẫy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác ảnh hưởng độ rộng xung, bước s ng, trọng lực khảo sát hạt điện môi khơng khí Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu thời gian tới nội dung cần phát triển luận văn nhằm mục đích tạo ổn định bẫy 56 Tài liệu tham khảo [1] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2006 [2] Trần Hải Tiến, phân bố quang lực hai xung Gauss ngược chiều, Luận văn thạc sĩ, thư viện Đại học vinh 2008 [3] Phan Sĩ Châu, Đỗ Ích Tình, Trương Thanh Sơn, Hồng Đình Hải, Hồ Quang Quý, Ảnh hư ng kích thước hạt điện môi lên độ ổn định bẫy quang hoc, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kĩ thuật cơng nghệ Quân sự, No 26, 02-2009 [4] A Ashkin: Atomic-Beam deflection by Resonance-Radiation Pressure, Phys Rev.Lett., 25, (1970) 1321 [5] Arthur Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers, March 11, 1997 [6] A Ashkin, J M Dziedzic, J E Bjorkholm, and Steven Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, AT&T Bell Laboratories, Holmdel, New Jersey 07733 Received December 23, 1985; accepted March 4, 1986 [7] A Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiation pressure Phys Rev Lett., 24(4):156{159, 1970} [8] Javier Alda, Laser and Gauss beam propagation and transformation, In Encyclopaedia of Optical Engineering New York, 2002 [9] T W Hansch and A L Schawlow: Cooling of Gasses by Laser Radiation, Opt.Comm 13 (1975) 68 [10] Michael Gogler, Allen Ehrlicher, forces on Small Spheres in a One-Beam Gradient Trap,Wintersemester 2005/2006 [11] Howie George Mende, Optical Trapping, manipulation, translation and spinning of micron sized gears using a vertical dual Laser diode system, Department of Physics and Astronomy, Submitted in partial Mfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Physics, Faculty of Graduate Studies Laurentian University Sudbury, Ontario, 2000 57 [12] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Dinh Xuan Khoa, Radiation Force Distribution of Optical Trapping by two counter-propagating Gauss Beams Acting on Rayleigh Dielectric Sphere, Institute of Applied Physics, NEWTECHPRO, Hanoi; Vinh University, Vinh [13] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Tran Hai Tien, Total power distribution of two counter-propagating pulsed Gauss Beams, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kĩ thuật công nghệ Quân sự, No 23, 06-2008 [14] Neil A Schofield, Development of Optical Trapping for the Isolation of Environmentally Regulated Genes, Submitted in partial fulfịment of the requirement for the degree of doctor of philosophy 1998, University of Reading, School of Animal and Microbial Sciences [15] Joshua W Shaevitz, A partical guide to optical trapping, jshaevitz@berkeley.edu, August 22, 2006 [16] Li-Gang Wang, Cheng-Liang Zhao, Dynamic radiation force of a pulsed Gauss beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, 2007 Optical Society of America [17] Wiepke Koopmans, Thijs Aartsma, Optical Tweezers: The force of light http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers, http://www.biop.dk/Research/Tweezers.htm [18] Peter MÄorters and Yuval Peres, Brownian Motion, Draft version of May 25, 2008 [19] Michael Abbott, Optical tweezers, PH 201 experiment, October 2005 [20] Giorgio Volpe, Giovanni Volpe and Dmitri Petrov, Brown motion in a nonhomogeneous force field and photonic force microscope, pubished 19 December 2007 [21] G Ahmadi, Brown motion,ME437/537, Clarkson university [22] H.Q.Quy, M.V Luu, “Stable Manipulation Dielectric Sphere of Optical Trapping by two Counter-propagating Gauss Pulsed Beams,” IWP&A, Nhatrang, Sept.10-14, (2008)] 58 (b) Time (s) Bead x position (nm) Fig.5 a) The position fluctuation of trapped latex bead in the x direction by very low laser power of about 2mW b) Displacement od glass particle in the “stable” space-time pillar of the optical tweezer (ρs= 50nm, τs=2ps) Bead x position (nm) Time (s) 59 ... 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia laser lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy Thay đổi giá trị bán kính mặt thắt chùm tia giữ... hạt chưa có quang lực tác dụng 44 3.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu 3.4.1 Mô ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên ổn định hạt mẫu hạt biên bẫy ………… ... Chương III ẢNH HUỞNG CỦA BÁN KÍNH MẶT THẮT CHÙM TIA LASER LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪ QUANG HỌC 3.1 Phân bố lượng hai xung Gauss ngược chiều ……… 3.1.1 Ảnh hưởng khoảng cách d đến cường độ tổng………… 37