Từ các kết quả nghiên cứu [3], biểu diễn vùng bẫy hạt trong vùng phân bố cường độ chùm tia trên tiết diện ngang trong bẫy quang học sử dụng một chùm Hollow - Gauss (xem hình 2.5).
Hình 2.5. Vùng bẫy hạt khi sử dụng chùm Hollow – Gauss[3]
Từ hình 2.5 cho thấy:
- Để bẫy được hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (m>1) tại một điểm xác định nào đó, phân bố cường độ chùm tia phải có đỉnh tại điểm đã chọn (phân bố Gauss). Trong trường hợp này hạt sẽ bị giam giữ trong “vùng Gauss” (hình 2.5b). Tuy nhiên, trong trường hợp này cường độ đỉnh Gauss sẽ nhỏ, do đó, để bẫy hạt có m>1 chúng ta sử dụng chùm laser phân bố Gauss.
- Muốn bẫy được hạt có chiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường
(m<1), như đã đặt vấn đề ở trên, thì phải sử dụng chùm tia có cường độ phân bố lõm, tức là cực tiểu tại điểm đã cho (phân bố Hollow - Gauss). Trong trường hợp này hạt sẽ bị bẫy trong “vùng Hollow - Gauss” như đã chỉ ra trong hình 2.5b.
Chọn giá trị các tham số: λ=1064nm, m n n= 1/ 2 =1.1 / 1.332 (hạt thuỷ tinh
pha tạp hình cầu nhỏ nằm trong môi trường nước),w0 =1µm, a=5nm, n=1.5,
0
5 ,D 150mm f, 800mm
α = = = và cố định cường độ chùm tia vào 2
0 1 W /
I = µ µm
[1,5]. Từ (2.7) và (2.8) chúng ta khảo sát phân bố quang lực tán xạ tác dụng lên hạt điện môi có kích thước cỡ nano.
Fscat (pN) Fscat (pN) Fscat (pN)
(a) Fscat (pN) (b) Fscat (pN) (c) Fscat (pN) (d) (e) (f)
Hình 2.6. Phân bố quang lực tán xạ tại các điểm khác nhau trên tiết diện ngang:
0
( )a x=1 ;w ( )b x=3 ;w0 ( )c x=5 ;w0 ( )d x=6 ;w0 ( )e x=7 ;w0 ( )f x=1 ,w x0 =6 .w0
Ta thấy càng ra xa trục chùm tia thì độ lớn quang lực tán xạ tại các điểm trên mặt phẳng ngang sẽ giảm nhưng mức giảm không nhiều. Điều này nghĩa là, càng ra xa trục thì ảnh hưởng của lực tán xạ đến độ ổn định của bẫy là càng giảm. Hay nói cách khác, càng cách xa trục chùm tia thì ảnh hưởng
của lực tán xạ lên hạt mẫu trong môi trường là càng giảm (tăng độ ổn định về vị trí của hạt mẫu trong bẫy).
Cũng từ hình 2.6, càng xa trục thì chiều rộng hố lõm của phân bố quang lực tán xạ càng giảm rõ rệt và đỉnh cực tiểu của phân bố quang lực tán xạ có xu thế tăng dần. Đặc biệt, khoảng cách hai đỉnh cực đại của phân bố có xu thế giảm dần khi ra xa trục, điều này được trực quan hóa trên hình 2.6f cho trường hợp x=1 ,w x0 =6w0.
Mặt khác, ở những vị trí khá ra trục, phân bố Hollow - Gauss bị phá vỡ, lúc này phân bố có dạng Gauss (hình 2.6e). Nghĩa là, tại những vị trí này bẫy quang học chỉ có thể giam giữ các hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (m>1) như đã trình bày ở trên. Tuy nhiên, giá trị quang lực trong trường hợp này lại giảm đi đáng kể (độ lớn quang lực khoảng 0.018pN), do đó việc bẫy hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường cũng là khó khăn.
Khảo sát ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia lên giá trị quang lực tán xạ, kết quả mô tả trên hình 2.7.
Fscat (pN)
w (µm)
Hình 2.7. Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc bán kính mặt thắt chùm tia
Từ kết quả trên ta thấy giá trị của quang lực tán xạ tăng dần và tăng nhanh khi w0 ≈ ÷(2 10)µm. Tuy nhiên, sau đó giá trị của quang lực tán xạ tăng
chậm và dần ổn định theo chiều tăng của bán kính mặt thắt (hình 2.7). Điều này chứng tỏ, trong trường hợp này bẫy quang học chỉ đạt hiệu quả cao khi sử dụng chùm tia có bán kính mặt thắt nhỏ w0 ≈ ÷(1 2)µm, nghĩa là: khi bán kính
mặt thắt nhỏ, giá trị của quang lực tán xạ sẽ nhỏ và do đó, hạt mẫu sẽ ổn định hơn trong môi trường, lúc này thành phần quang lực tán xạ ít ảnh hưởng đến độ ổn định của hạt mẫu.
Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách D (khoảng cách từ axicon đến thấu kính hội tụ f) đến độ lớn quang lực tán xạ (xem hình 2.8). Từ kết quả mô phỏng ta thấy, độ lớn quang lực tán xạ tăng dần và đạt giá trị cực đại khi
120
D≈ mm. Ta thấy, với những giá trị D<100mm, giá trị quang lực tán xạ nhỏ, điều này có lợi cho quá trình bẫy hạt vi mô. Vì như đã nói ở trên, thành phần quang lực tán xạ không đóng vai trò giữ hạt mà nó là yếu tố ảnh hưởng không tốt đến độ ổn định của vị trí hạt mẫu trong bẫy. Ở những khoảng cách
120
D> mm độ lớn quang lực có xu hướng giảm dần.
Frscat (pN)
D(mm)
Hình 2.8. Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc khoảng cách D
Khảo sát ảnh hưởng của tiêu cự thấu kính đến độ lớn quang lực tán xạ, kết quả như hình 2.9. Từ hình vẽ ta thấy giá trị quang lực tăng tán xạ dần và
đạt cực đại khi f có giá trị trong khoảng f =(100 800)÷ mm. Như vậy, tương tự như trên, muốn giá trị quang lực tán xạ nhỏ (ít ảnh hưởng đến độ ổn định của vị trí hạt mẫu) thì tiêu cự thấu kính nên chọn trong khoảng f <100mm
Frscat (pN)
(mm)
Hình 2.9. Độ lớn quang lực tán xạ phụ thuộc tiêu cự thấu kính f
Rõ ràng, từ việc khảo sát ảnh hưởng của một số tham số hệ quang đến độ lớn quang lực tán xạ, chúng ta tìm được bộ tham số (w0 < 2µm, D < 100µm và f < 100µm) sao cho giá trị quang lực tán xạ nhỏ (hạn chế ảnh hưởng không tốt của quang lực tán xạ đến độ ổn định của vị trí hạt mẫu). Điều này có ý nghĩa thực tiễn trong việc chế tạo bẫy quang học sử dụng một chùm Hollow - Gauss.