Thạc Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều

MỞ ĐẦ U
Vào n ăm 1971, Ashkin đã tìm cách cân b ằng được áp su ất ánh sáng với l ực tr ọng tr ường và đã gi ữ được h ạt điện môi có kích th ước 20 µm ổn định [6]. Ashkin cùng c ộng s ự ti ếp t ục theo đuổi l ĩnh v ực b ẫy quang h ọc áp d ụng cho các vi h ạt có kích th ước khác nhau. Các công trình c ủa Ông ch ủ y ếu quan tâm đế n b ẫy các nguyên t ử, vi h ạt keo và được phân thành hai lo ại: làm l ạnh nguyên t ử b ằng laser và b ẫy quang h ọc. N ăm 1986, Ashkin cùng c ộng s ự l ần đầ u tiên công b ố k ết qu ả s ử d ụng b ẫy quang h ọc một chùm tia để gi ữ các vi h ạt có đường kính t ừ 25 nm đế n 10 µm t ại m ột điểm trong n ước [8]. Thi ết b ị mà Ashkin s ử d ụng để b ẫy các vi h ạt, sau này, được g ọi là kìm quang h ọc [3], [14], [20], [26], [37], [45], [46] và ph ươ ng pháp này được g ọi là b ẫy quang h ọc [47], [56]. Lý thuy ết v ề b ẫy quang h ọc ch ủ y ếu là tính toán l ực tác độ ng lên h ạt với các điều ki ện môi tr ường khác nhau. Cách tính quang l ực tác độ ng lên vi h ạt liên quan tr ực ti ếp đế n các ch ế độ , trong đó, kích th ước vi h ạt nh ỏ hơn nhi ều so v ới b ước sóng ánh sáng laser thì s ử d ụng ch ế độ Rayleigh [50], [54], [62], [69], kích th ước vi h ạt l ớn h ơn b ước sóng ánh sáng laser thì s ử d ụng ch ế độ quang hình [7], [20], [48] hay kích th ước vi h ạt t ươ ng đươ ng b ước sóng laser thì s ử d ụng ch ế độ Mie. Nhi ều công trình đã quan tâm đến ảnh h ưởng c ủa các tham s ố kìm quang h ọc lên quang l ực [14], [18], [25], [26], [28-30]. Nh ưng các công trình lý thuy ết tính quang l ực trên đều d ừng l ại ở tr ường h ợp sóng ph ẳng, t ức là áp d ụng cho chùm laser phát ra t ừ bu ồng c ộng h ưởng g ươ ng ph ẳng trong ch ế độ phát liên t ục. Trong th ực t ế hi ện nay, chùm tia laser Gauss, phát ra t ừ bu ồng c ộng hưởng g ươ ng c ầu là ch ủ y ếu và được điều bi ến xung. Do đó, t ừ n ăm 2005 đến nay, nhi ều tác gi ả đã tính toán cho m ẫu kìm s ử d ụng xung laser [3], [17], [31], [33], [35], [38], [44]. Zhao và c ộng s ự đã công b ố k ết qu ả tính quang l ực cho kìm s ử d ụng một chùm xung Gauss (pulsed Gaussian beam) [17]. Phù h ợp v ới k ết lu ận th ứ nh ất, các tác gi ả M. Kawano và các c ộng s ự (2008) đã đề xu ất s ử d ụng kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm laser ng ược chi ều [53] và sau đó n ăm 2009 các tác gi ả H. Q. Quý và M. V. L ưu đã nghiên c ứu đế n quang l ực của hai chùm xung Gauss ng ược chi ều [40]. Tuy nhiên, vi ệc phân tích m ột cách chính xác v ề s ự ổn đị nh c ủa vi h ạt trong vùng b ẫy và ảnh h ưởng c ủa các tham s ố vào độ ổn đị nh c ủa vi h ạt v ẫn đang còn b ỏ ng ỏ. Ngoài ra, trong công trình th ực nghi ệm ứng d ụng kìm quang h ọc để nghiên c ứu các t ế bào s ống [25], [66], [68], v ị trí c ủa t ế bào không hoàn toàn gi ữ nguyên trong quá trình b ẫy mà dao động trong m ột gi ới h ạn nh ất định xung quanh tâm b ẫy [53]. Điều này ch ứng t ỏ, độ b ền (stifness) hay độ đàn h ồi c ủa kìm quang h ọc có m ột giá tr ị nh ất đị nh [24]. Độ b ền này là
2 tỉ s ố gi ữa l ực tác độ ng vào vi h ạt và độ l ớn li độ dao độ ng c ủa vi h ạt so với tâm b ẫy. Vì v ậy, độ b ền c ủa b ẫy ph ụ thu ộc vào l ực, kích th ước h ạt và điều ki ện môi tr ường [15], [19], [26], [28], [38], [54]. Nh ư v ậy, có th ể kh ẳng đị nh r ằng vi h ạt được b ẫy trong kìm quang học không ổn đị nh lý t ưởng mà dao động trong m ột vùng không gian nh ất định và trong m ột kho ảng th ời gian nh ất đị nh. Từ nh ững k ết qu ả nghiên c ứu lý thuy ết c ũng nh ư th ực nghi ệm đã nêu ở trên, v ấn đề nghiên c ứu kh ảo sát ảnh h ưởng c ủa các tham s ố c ủa kìm quang h ọc lên độ ổn đị nh c ủa h ạt là r ất c ần thi ết. Tr ước tiên, b ằng ph ươ ng pháp mô ph ỏng có th ể đưa ra được m ột s ố k ết lu ận có tính khoa h ọc để định h ướng cho th ực nghi ệm nghiên c ứu, s ử d ụng kìm quang h ọc cho các đối t ượng vi h ạt c ần b ẫy. Đây c ũng là nh ững n ội dung được đề c ập trong lu ận án “Nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa m ột s ố thông s ố lên kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều” . Bố c ục c ủa lu ận án: Ch ươ ng 1. Tổng quan v ề kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều Ch ươ ng này t ổng quan m ột s ố khái ni ệm v ề quang l ực và c ấu hình của kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều và chuyên động Brown. Thông qua đó, phân tích m ột s ố y ếu t ố ảnh h ưởng đế n s ự ổn định c ủa vi h ạt trong ch ất l ưu d ưới tác độ ng c ủa kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều. Ch ươ ng 2. Quá trình động h ọc c ủa vi h ạt Ch ươ ng này th ực hi ện qui trình mô ph ỏng quá trình động h ọc c ủa vi hạt trong ch ất l ưu s ử d ụng ph ươ ng trình Langevin v ới s ự tham gia l ực Brown và quang l ực. Phân tích s ự c ạnh tranh c ủa hai l ực này trong quá trình m ột xung và s ự hình thành th ời gian b ẫy. Ch ươ ng 3. Ảnh h ưởng c ủa các thông s ố lên quá trình động h ọc c ủa vi hạt Ch ươ ng này phân tích ảnh h ưởng c ủa các thông s ố nh ư: v ị trí ban đầu c ủa vi h ạt, n ăng l ượng t ổng và bán kính th ắt chùm, bán kính vi h ạt lên tốc độ chuy ển d ịch v ề tâm kìm c ủa vi h ạt và độ dao độ ng c ủa nó t ại tâm kìm. Ch ươ ng 4. Ảnh h ưởng c ủa các tham s ố lên vùng ổn đị nh Ch ươ ng này đề xu ất khái ni ệm v ề vùng ổn đị nh không gian-th ời gian của v ị h ạt trong kìm quang h ọc. Kh ảo sát ảnh h ưởng c ủa các tham s ố quang h ọc c ủa kìm, các tham s ố c ơ h ọc c ủa ch ất l ưu và h ạt lên vùng ổn định c ủa h ạt. Phân tích l ựa ch ọn các tham s ố phù h ợp để có vùng ổn đị nh không gian - th ời gian t ốt nh ất.

MỤC L ỤC Danh m ục các ký hi ệu . i
Danh m ục các hình v ẽ . iii
Mở đầ u 1
Ch ươ ng 1. TỔNG QUAN V Ề KÌM QUANG H ỌC S Ử D ỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NG ƯỢC CHI ỀU .
9
1.1 Quang l ực 9
1.2 Kìm quang h ọc s ử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều . 14
1.2.1 Cấu hình quang c ủa hai chùm xung Gauss ng ược chi ều . 15
1.2.2 Bi ểu th ức c ường độ t ổng c ủa hai chùm xung Gauss ng ược
chiều .
16 1.2.3 Ảnh h ưởng c ủa kho ảng cách d đế n phân b ố c ường độ t ổng 19
1.2.4 Ảnh h ưởng c ủa m ặt th ắt chùm tia W 0 đến phân b ố c ường
độ t ổng
21
1.2.5 Bi ểu th ức quang l ực tác d ụng lên h ạt điện môi . 23
1.2.6 Ảnh h ưởng c ủa bán kính m ặt th ắt W 0 lên phân b ố quang
lực d ọc
24
1.2.7 Ảnh h ưởng c ủa độ r ộng xung τ lên phân b ố quang l ực d ọc 26
1.2.8 Ảnh h ưởng c ủa kho ảng cách hai m ặt th ắt d đế n quang l ực
dọc .
27
1.2.9 Ảnh h ưởng c ủa bán kính m ặt th ắt W 0 lên quang l ực ngang 29
1.2.10 Ảnh h ưởng c ủa kho ảng cách hai m ặt th ắt d lên quang l ực
ngang
32
1.2.11 Ảnh h ưởng c ủa độ r ộng xung lên quang l ực ngang . 33
1.3 Chuy ển độ ng Brown c ủa vi h ạt điện môi trong ch ất l ưu . 35
1.4 Các y ếu t ố ảnh h ưởng đế n ổn đị nh c ủa b ẫy quang h ọc 37
1.4.1 Sự c ần thi ết c ủa s ự ổn đị nh . 38
1.4.2 Các y ếu t ố ảnh h ưởng đế n ổn đị nh c ủa h ạt trong quá trình
bẫy .
38
1.5 Kết lu ận ch ươ ng 1 . 39
Ch ươ ng 2. QUÁ TRÌNH ĐỘNG H ỌC C ỦA VI H ẠT 41
2.1 Ph ươ ng trình Lagevin cho tr ường h ợp t ổng quát 41 2.2 Ph ươ ng trình động h ọc c ủa vi h ạt trong b ẫy quang h ọc sử d ụng hai chùm xung Gauss ng ược chi ều . 44
2.3 Thu ật toán và quy trình mô ph ỏng 47
2.4 Chuy ển Brown trong m ặt ph ẳng tiêu b ản 48
2.5 Quá trình động h ọc c ủa vi h ạt khi có quang l ực . 52
2.6 Kết lu ận ch ươ ng 2 . 56
Ch ươ ng 3. ẢNH H ƯỞNG C ỦA CÁC THAM S Ố LÊN QUÁ TRÌNH ĐỘNG H ỌC C ỦA VI H ẠT
58
3.1. Ảnh h ưởng c ủa v ị trí ban đầ u c ủa vi h ạt . 59
3.2 Ảnh h ưởng c ủa n ăng l ượng t ổng . 63
3.3 Ảnh h ưởng c ủa bán kính m ặt th ắt chùm tia 65
3.4 Ảnh h ưởng c ủa kích th ước h ạt 67
3.5 Kết lu ận ch ươ ng 3 70
Ch ươ ng 4. ẢNH H ƯỞNG C ỦA CÁC THAM S Ố LÊN VÙNG ỔN ĐNNH C ỦA KÌM .
72
4.1 Khái ni ệm v ề vùng ổn đị nh không gian - th ời gian . 73
4.2 Ảnh h ưởng c ủa n ăng l ượng xung laser lên vùng ổn đị nh . 74
4.3 Ảnh h ưởng c ủa bán kính th ắt chùm lên vùng ổn đị nh 76
4.4 Ảnh h ưởng c ủa độ r ộng xung lên vùng ổn đị nh . 77
4.5 Ảnh h ưởng c ủa t ần s ố l ặp xung laser lên s ự ổn đị nh 79
4.6 Ảnh h ưởng c ủa độ tr ễ xung lên vùng ổn đị nh 81
4.7 Ảnh h ưởng c ủa bán kính vi h ạt lên vùng ổn đị nh . 87
4.8 Ảnh h ưởng c ủa độ nh ớt ch ất l ưu lên vùng ổn đị nh . 89
4.9 Kết lu ận ch ươ ng 4 91
KẾT LU ẬN CHUNG 93
Tài li ệu tham kh ảo 98
Ph ụ l ục . 105