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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ




HOÀNG ĐÌNH HẢI



NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG
HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU




LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ




HÀ NỘI 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ



HOÀNG ĐÌNH HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG
HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 62.44.01.09


LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Hồ Quang Quý

HÀ NỘI 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa
được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Tác giả luận án




Hoàng Đình Hải
LỜI CẢM ƠN
Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Hồ

Quang Quý, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo,
những người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt quá
trình nghiên cứu để hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học
và các bạn đồng nghiệp trong Viện Vật lý kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Viện
Khoa học và công nghệ Quân sự - Bộ Quốc Phòng, Trường Đại Học Vinh,
Trường CĐSP Nghệ An đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội
dung của luận án, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và
nghiên cứu.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình
đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án



MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu …………………………………………… …. i
Danh mục các hình vẽ ………………………….…………… iii
Mở đầu ………………………… ………………… ………………… 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI
CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU

9
1.1

Quang lực 9
1.2

Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều 14

1.2.1
Cấu hình quang của hai chùm xung Gauss ngược chiều
15

1.2.2
Biểu thức cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược
chiều

16

1.2.3
Ảnh hưởng của khoảng cách d đến phân bố cường độ tổng

19

1.2.4
Ảnh hưởng của mặt thắt chùm tia W
0
đến phân bố cường
độ tổng

21

1.2.5
Biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi
23

1.2.6

Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W
0
lên phân bố quang
lực dọc

24

1.2.7
Ảnh hưởng của độ rộng xung
τ
lên phân bố quang lực dọc
26

1.2.8
Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d đến quang lực
dọc

27

1.2.9
Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W
0
lên quang lực ngang
29

1.2.10
Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d lên quang lực
ngang
32

1.2.11
Ảnh hưởng của độ rộng xung lên quang lực ngang

33
1.3

Chuyển động Brown của vi hạt điện môi trong chất lưu 35
1.4
Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của bẫy quang học
37

1.4.1
Sự cần thiết của sự ổn định

38

1.4.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của hạt trong quá trình
bẫy


38
1.5
Kết luận chương 1

39
Chương 2. QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT

41
2.1

Phương trình Lagevin cho trường hợp tổng quát

41
2.2

Phương trình động học của vi hạt trong bẫy quang học sử dụng hai
chùm xung Gauss ngược chiều

44
2.3 Thuật toán và quy trình mô phỏng

47
2.4 Chuyển Brown trong mặt phẳng tiêu bản 48
2.5 Quá trình động học của vi hạt khi có quang lực 52
2.6 Kết luận chương 2

56
Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN QUÁ
TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT
58
3.1.

Ảnh hưởng của vị trí ban đầu của vi hạt 59
3.2 Ảnh hưởng của năng lượng tổng 63
3.3 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia

65
3.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt

67
3.5 Kết luận chương 3 70
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN VÙNG ỔN
ĐNNH CỦA KÌM
72
4.1 Khái niệm về vùng ổn định không gian - thời gian 73
4.2 Ảnh hưởng của năng lượng xung laser lên vùng ổn định 74
4.3 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm lên vùng ổn định

76
4.4 Ảnh hưởng của độ rộng xung lên vùng ổn định 77
4.5 Ảnh hưởng của tần số lặp xung laser lên sự ổn định 79
4.6 Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định 81
4.7 Ảnh hưởng của bán kính vi hạt lên vùng ổn định

87
4.8 Ảnh hưởng của độ nhớt chất lưu lên vùng ổn định

89
4.9 Kết luận chương 4 91
KẾT LUẬN CHUNG 93
Tài liệu tham khảo

98
Phụ lục

105

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU


Ký hiệu Ý nghĩa
a Bán kính hạt điện môi hình cầu
α
Hệ số ma sát nhớt
β
Hệ số hấp thụ một lần
B Hệ số Anhxtanh
c Vận tốc ánh sáng trong chân không
C
pr
Tiết diện tán xạ
D Hệ số khuếch tán
d Khoảng cách giữa hai đỉnh xung
E
0
Năng lượng tổng của chùm tia
l
E


Cường độ điện trường của chùm bên trái
r
E


Cường độ điện trường của chùm bên phải
E


Véc tơ cường độ điện trường
ε
0

Hằng số điện môi
F
grad
Lực gradient
F
p
Lực Lorentz
F
scat
Lực tán xạ
F
t
Thành phần lực do biến đổi của từ trường
f


Lực tổng hợp tác động vào hạt
is
v
f


Lực tác động phụ thuộc vận tốc
al
tot
f


Lực tác động không phụ thuộc vận tốc
rown
B
f


Lực Brown

ii

ravity
g
f


Trọng lực
drate
Hy
f


Lực đàn hồi của môi trường
η
Độ nhớt của môi trường

H


Từ trường tương ứng trong gần đúng cận trục
( )
h t


Hàm ngẫu nhiên (randum)
l
I

Cường độ chùm tia bên trái
r
I

Cường độ chùm tia bên phải
I

Cường độ tổng của hai chùm tia
k Số sóng
k


Véc tơ sóng
1
2
n
m
n

=

Tỉ số chiết suất hạt bẫy với môi trường chất lưu
m khối lượng hạt bẫy
µ
0

Độ từ thNm trong chân không
n
1
Chiết suất của hạt điện môi hình cầu
n
2
Chiết suất của môi trường chứa hạt điện môi
P
p
Công suất bơm
P


Véc tơ momen lưỡng cực
ρ
Toạ độ hướng tâm
σ
Hệ số phân cực của hạt hình cầu trong chế độ Rayleigh
τ
Bán độ rộng xung
U Năng lượng chùm Gauss của laser
∇
Toán tử laplace

W Bán kính tiết diện thắt chùm
ω
0

Tần số sóng
W
0
Bán kính tiết diện thắt chùm tại mặt phẳng z =0

iii

λ
Bước sóng của chùm laser


toạ độ ban đầu của hạt bẫy
ρ


Véc tơ đơn vị theo hướng xuyên tâm
x


Véc tơ đơn vị của phân cực dọc theo hướng trục x
z


Véc tơ đơn vị dọc theo hướng truyền của chùm tia z
.
h

ν

Năng lượng trung bình của một photon bơm
t
∆

Khoảng thời gian ổn định của hạt trong bẫy
ρ
∆

Đường kính vùng ổn định
T
δ

Độ trễ thời gian giữa hai xung

0
ρ

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình Trang

Hình 1.1. Tia sáng khúc xạ tại giao diện của hạt điện môi 10
Hình 1.2. Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt hạt điện môi. 11
Hình 1.3. Lực tác dụng lên hạt điện môi trong chế độ Rayleigh. 11
Hình 1.4. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học sử dụng một chùm
laser trong thực nghiệm

14
Hình 1.5. Sơ đồ bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược
chiều

15
Hình 1.6. KhNu độ số của hệ vật kính 19
Hình 1.7. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của
khoảng cách giữa hai mặt thắt d: 15µm (a), 10µm (b), 5µm (c) và
0µm (d)

20
Hình 1.8. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của bán
kính mặt thắt W
0
: 2µm(a), 1.5µm(b), 1µm(c) và 0.5µm(d)

21
Hình 1.9. Phân bố quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với các
giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt W
0
:0.5µm(a), 1µm(b),
1.5µm(c) và 2µm(d)

25
Hình 1.10. Phân bố của quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với
các giá trị khác nhau của độ rộng xung τ: 0.5ps (a), 1ps (b), 1.5ps (c)
và 2ps (d)

27
Hình 1.11. Ảnh hưởng của khoảng cách d lên quá trình phân bố của

quang lực dọc: d = 5µm(a), d = 10µm(b), d = 15µm(c) và
d = 20µm(d)



29
Hình 1.12. Phân bố quang lực ngang trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho
các giá trị của W
0
: 0.5µm(a), 1µm(b), 1.5µm(c) và 2µm(d)

30

v

Hình 1.13. Hố thế tạo bởi lực ngang 31
Hình 1.14. Phụ thuộc của giá trị cực đại quang lực ngang vào bán
kính mặt thắt trong trường hợp t = 1τ, d = 10µm tại vị trí z=0

31
Hình 1.15. Phân bố quang lực ngang F
grad,ρ
trong mặt phẳng (ρ,t) với
các giá trị khác nhau của d: 1µm(a), 5µm(b), 10µm(c) và
15µm(d)
33
Hình 1.16. Quang lực ngang, F
grad,ρ
trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho
các xung có độ rộng khác nhau của τ: 0,5ps(a), 1ps(b) và 1,5ps(c)

34
Hình 1.17. Mô hình chuyển động Brown 35
Hình 2.1. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách
trục chùm tia một khoảng ρ
0
= 1(µm) với bước thời gian mô phỏng
khác nhau:
a)
6 / 2000
t
δ τ
=
, b)
6 / 4000
t
δ τ
=
, c)
6 / 8000
t
δ τ
=
, d)
6 /10000
t
δ τ
=

50
Hình 2.2. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách
trục chùm tia một khoảng ρ
0
= 0(µm) với bước thời gian mô phỏng
khác nhau:
a)
6 / 2000
t
δ τ
=
, b)
6 / 4000
t
δ τ
=
, c)
6 / 8000
t
δ τ
=
, d)
6 /10000
t
δ τ
=

51
Hình 2.3. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U=0.5.10
-6
(J) τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), ρ
0
= 0(m),
W
0
=1(µm), t=(0÷ 6)τ

53
Hình 2.4. Vị trí của hạt thể hiện trên mặt tiêu bản 54
Hình 2.5. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U=0.5.10
-6
(J) τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), ρ
0
= 0(m),
W
0
=1(µm), t=(1.6÷ 4.4) ps


55
Hình 3.1. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U=0.5.10
-6
(J),τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), W

0
=1(µm), thời
gian xung t=(0÷ 6) ps. ρ
0
= 2(µm)(a); ρ
0
= -2(µm)(b);
ρ
0
= 1(µm)(c); ρ
0
=-1(µm)(d)


59

vi

Hỡnh 3.2. V trớ ca ht trong by tng ng vi cỏc thụng s:
U=0.1.10
-6
(J),=1(ps), a=10(nm), =1,064 (àm), W
0
=1(àm), thi
gian xung t=(0ữ 6) ps.
0
= 1(àm)(a);
0
= 2(àm)(b);

0
= 3(àm)(c);
0
= 4(àm)(d)


61
Hỡnh 3.3. V trớ ca ht trong by tng ng vi cỏc thụng s:
U=5.10
-9
(J) =1(ps), a=20(nm), =1,064 (àm), W
0
=1(àm), thi gian
xung t=(0ữ 6) ps;
0
= 1(àm)(a);
0
= 2(àm)(b);
0
=3(àm)(c);
0
=
4(àm)(d)


62
Hỡnh 3.4. V trớ ca ht trong by tng ng vi cỏc thụng s:
=1(ps), a=10(nm), =1,064 (àm), W
0
=1(àm), t=(0ữ 6) ps,

0
=2(àm). U: 0,01(àJ)(a); 0,1(àJ)(b); 0,2(àJ)(c); 0,3(àJ)(d);
0,5(àJ)(e); 0,9(àJ)(f)


64
Hỡnh 3.5. Quỏ trỡnh ng hc ca ht trong by tng ng vi cỏc
thụng s: U=0,9(àJ), =1(ps),
0
=1(àm), =1,064(àm), a=10(nm),
t=(0ữ6)ps, W
0
=1(àm)(a); W
0
=2(àm)(b); W
0
=3(àm)(c);
W
0
=4(àm)(d)


66
Hỡnh 3.6. Quỏ trỡnh ng hc ca ht trong by tng ng vi cỏc
thụng s: U=0,9

(àJ), =1(ps),
0
= 1(àm), =1,064 (àm),

W
0
=1(àm),
t=(0ữ6)ps: a= 8(nm)(a); a= 10(nm)(b); a=14(nm)(c); a=
18(nm)(d)


68
Hỡnh 4.1. Vựng n nh ca kỡm
72
Hình 4.2. Mô tả giới hạn vùng ổn định của vi hạt trên mặt phẳng
x-y

73
Hỡnh 4.3. S ph thuc ca thi gian n nh vo nng lng laser
75
Hỡnh 4.4. S ph thuc ca ng kớnh vựng n nh vo nng
lng laser

75
Hỡnh 4.5. S ph thuc ca thi gian n nh vo bỏn kớnh tht
chựm


76
Hỡnh 4.6. S ph thuc ca ng kớnh vựng n nh vo bỏn kớnh
tht chựm

77

vii

Hình 4.7. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào độ rộng xung
Gauss


78
Hình 4.8. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào độ rộng
xung Gauss



78
Hình 4.9. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung
1
6.
f
τ
=

80
Hình 4.10. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung
1
4.
f
τ
=


80

Hình 4.11. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung
1
3.
f
τ
=
80
Hình 4.12. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung
1
2.
f
τ
=
81
Hình 4.13. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 0. 82
Hình 4.14. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=1τ 83
Hình 4.15. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=2τ 84
Hình 4.16. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=3τ 85
Hình 4.17. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT=4τ 86
Hình 4.18. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào bán kính vi hạt 87
Hình 4.19. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào bán kính
vi hạt


88
Hình 4.20. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào độ nhớt chất
lưu


90

Hình 4.21. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào độ nhớt
chất lưu


90

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Độ nhớt của một số chất lưu 89



1

MỞ ĐẦU
Trong thập kỷ sáu mươi, thế kỷ 20, Arthur Ashkin cùng các cộng sự đã
phát hiện ra rằng, một chùm laser được hội tụ có thể kéo một hạt có chiết suất
lớn hơn môi trường xung quanh vào tâm chùm tia [5-11]. Trên trục chùm tia,
các hạt được giữ và đNy theo chiều truyền lan của ánh sáng. Ông đã xây dựng
một thiết bị quang học để điều khiển hạt trong chất lỏng, chất khí bằng cách
cân bằng áp lực bức xạ với lực trọng trường. Ông cũng đã đề xuất một thiết bị
giữ hạt trong không gian ba chiều bằng hai chùm tia laser truyền lan ngược
chiều [6]. Bẫy quang học sử dụng một chùm laser được thiết kế thành công
lần đầu tiên vào năm 1986 do Ashkin, Chu và cộng sự [8]. Trong những năm
tiếp theo sau đó, khi công nghệ phát triển, bẫy quang học trở thành thiết bị
quan trọng trong các lĩnh vực như sinh vật, hoá lý và lý sinh phục vụ cho việc
giam giữ (bẫy: giữ vi hạt tại một vị trí) hay điều khiển (kìm: giữ và dịch
chuyển vị trí của vi hạt) các đối tượng nghiên cứu như nguyên tử (phản ứng
hóa học), chuỗi ADN (tách các phân tử), tế bào sống (cô lập), [11], [22],
[23], [25], [43], [49], [53], [56], [57], [64-66].
Bẫy quang học sử dụng lực gradient (gradient force) của một chùm tia có

thể được chế tạo bằng cách hội tụ chùm laser thành một vết trong giới hạn
nhiễu xạ nhờ một hệ quang có khNu độ số (NA-Numerical aperture) lớn [3],
[14], [19], [26]. Lực gradient của ánh sáng mạnh nhất là xung quanh điểm hội
tụ và sẽ tạo nên một hố thế. Trong hố thế này các hạt có chiết suất lớn hơn
chiết suất môi trường xung quanh sẽ bị bẫy trong không gian ba chiều. Các vi
hạt điện môi, các vi hạt kim loại [13] ,[18] cũng như chất sống có kích thước
từ vài nanomét đến vài chục micrômét như thực bào hay bạch huyết cầu [25],
[66] có thể bị bẫy và gom nhờ bẫy quang học. Tuy nhiên, khi không có sự
khác biệt về chiết suất giữa hạt và môi trường xung quanh sẽ không có lực
quang học nào tác động lên hạt. Nếu chiết suất của hạt thấp hơn chiết suất môi

2

trường, hạt sẽ bị đNy ra khỏi chùm tia có phân bố cường độ dạng Gauss.
Trong trường hợp này, hạt sẽ bị bẫy nếu sử dụng chùm tia có phân bố cường
độ dạng Hollow-Gaussian, theo đó, cường độ tại tâm nhỏ nhất và tăng dần
theo bán kính hướng tâm (tăng dần từ tâm ra biên) [18], [20], [41], [42], [45],
[57], [71], [72].
Khái niệm bẫy quang học cũng đã được biết đến từ rất lâu. Vào năm
1619, Johannes Kepler đã giải thích rằng đuôi sao chổi luôn luôn đNy ra xa
mặt trời chính là do áp lực của ánh sáng mặt trời. Vào năm 1871, bằng lý
thuyết, Maxwell đã chỉ ra rằng xung lượng của ánh sáng có thể tạo ra một áp
lực trên mặt tiếp xúc [4]. Sau này, hiệu ứng này được gọi là “áp lực bức xạ”.
Năm 1901, nhóm của Lebedev và nhóm của Nichols đã độc lập thực hiện thí
nghiệm về áp lực ánh sáng (light pressure) tác động lên vật thể. Áp lực ánh
sáng này rất nhỏ vì cường độ dòng photon rất thấp. Năm 1960, khi laser ra
đời, cường độ dòng photon được tăng lên rất nhiều và áp suất ánh sáng tăng
lên, có thể ứng dụng vào các mục đích khác nhau. Vào năm 1971, Ashkin đã
tìm cách cân bằng được áp suất ánh sáng với lực trọng trường và đã giữ được
hạt điện môi có kích thước 20µm ổn định [6]. Ashkin cùng cộng sự tiếp tục

theo đuổi lĩnh vực bẫy quang học áp dụng cho các vi hạt có kích thước khác
nhau. Các công trình của Ông chủ yếu quan tâm đến bẫy các nguyên tử, vi hạt
keo và được phân thành hai loại: làm lạnh nguyên tử bằng laser và bẫy quang
học. Năm 1986, Ashkin cùng cộng sự lần đầu tiên công bố kết quả sử dụng
bẫy quang học một chùm tia để giữ các vi hạt có đường kính từ 25 nm đến
10µm tại một điểm trong nước [8]. Thiết bị mà Ashkin sử dụng để bẫy các vi
hạt, sau này, được gọi là kìm quang học [3], [14], [20], [26], [37], [45], [46]
và phương pháp này được gọi là bẫy quang học [47], [56]. Ông cho rằng một
hạt được bẫy tại một điểm mà tại đó lực gradient và lực tán xạ cân bằng nhau,

3

khi giá trị cực đại của lực bẫy đủ lớn để vượt qua trọng lượng hiệu dụng và
thăng dáng nhiệt của hạt.
Lý thuyết về bẫy quang học chủ yếu là tính toán lực tác động lên hạt với
các điều kiện môi trường khác nhau. Cách tính quang lực tác động lên vi hạt
liên quan trực tiếp đến các chế độ, trong đó, kích thước vi hạt nhỏ hơn nhiều
so với bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ Rayleigh [50], [54], [62],
[69], kích thước vi hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ
quang hình [7], [20], [48] hay kích thước vi hạt tương đương bước sóng laser
thì sử dụng chế độ Mie. Nhiều công trình đã quan tâm đến ảnh hưởng của các
tham số kìm quang học lên quang lực [14], [18], [25], [26], [28-30]. Trong
công trình của mình, tác giả H. Kim [39] đã tìm được sự phụ thuộc của hiệu
suất bẫy vào tỉ số giữa bán kính chùm tia và khNu độ số của hệ quang. Qua
biểu thức tính hiệu suất, các tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của độ nhớt chất
lưu, kích thước vi hạt, công suất laser lên hiệu suất.
Ngoài ba chế độ Rayleigh, quang hình và Mie, O. Moine và B. Stout [60]
đã sử dụng phương pháp véc tơ để tính quang lực khi sử dụng chùm tia có
phân bố cường độ bất kỳ trên tiết diện ngang. Các công trình trên chỉ áp dụng
hạn chế cho trường hợp đặc biệt (các hạt là vi cầu). Kết hợp ba chế độ

Rayleigh, Mie và quang hình, D. Bonessi và cộng sự đã tính quang lực tác
động lên hạt có hình dạng và kích thước bất kỳ. Năm 2008, Cui và năm 2009,
Jian cùng các cộng sự đã tính quang lực tác động lên các vật thể có kích thước
cỡ nanô [73], [74]. Tất cả các phương pháp tính trên được tổng quan trong
công trình của M. S. Rocha [54].
Các công trình lý thuyết tính quang lực trên đều dừng lại ở trường hợp
sóng phẳng, tức là áp dụng cho chùm laser phát ra từ buồng cộng hưởng
gương phẳng trong chế độ phát liên tục. Trong thực tế hiện nay, chùm tia
laser Gauss, phát ra từ buồng cộng hưởng gương cầu là chủ yếu và được điều

4

biến xung. Do đó, từ năm 2005 đến nay, nhiều tác giả đã tính toán cho mẫu
kìm sử dụng xung laser [3], [17], [31], [33], [35], [38], [44].
Zhao và cộng sự đã công bố kết quả tính quang lực cho kìm sử dụng một
chùm xung Gauss (pulsed Gaussian beam) [17]. Bằng phương pháp mô
phỏng, Zhao đã khảo sát phân bố quang lực (transverse gradient and
longitudinal forces) trên các mặt phẳng pha (ρ,z), (ρ,t) và (z,t). Qua kết quả
khảo sát của Zhao, có thể rút ra vài kết luận sau:
+) Chuyển động Brown sẽ mất đi hay có thể bỏ qua khi vi hạt được bẫy
bằng các xung ngắn.
+) Hạt sẽ chuyển động Brown trong thể tích cỡ 10
-12
m
3
giữa hai lần xung
nếu tần số nhỏ hơn 100Hz.
+) Không thể sử dụng một chùm xung Gauss để thiết kế kìm quang học,
bởi vì lực tán xạ sẽ khác nhau tại từng thời điểm khác nhau và thay đổi theo
độ rộng xung. Lực này không cân bằng trong điểm bẫy.

+) Ngưỡng bẫy là giá trị quang lực cân bằng với lực do dao động nhiệt đã
được bình luận trong trường hợp hạt tự do. Tuy nhiên, trong thực tế, vi hạt
được nhúng trong môi trường không khí hoặc chất lỏng. Do đó, ngoài dao
động nhiệt, vi hạt còn chịu tác động của lực Brown [24].
Phù hợp với kết luận thứ nhất, các tác giả M. Kawano và các cộng sự
(2008) đã đề xuất sử dụng kìm quang học sử dụng hai chùm laser ngược chiều
[53] và sau đó năm 2009 các tác giả H. Q. Quý và M. V. Lưu đã nghiên cứu
đến quang lực của hai chùm xung Gauss ngược chiều [40]. Kết quả mô phỏng
đã cho thấy lực gradient cũng như lực tán xạ (scattering forces) có tính đối
ngẫu qua tâm bẫy. Lực tán xạ không còn phụ thuộc vào độ rộng xung. Hơn
nữa, trong các công trình này, các tác giả đã bình luận về các vùng bẫy trong
các mặt phẳng pha (ρ,z), (ρ,t) và (z,t) và sự phụ thuộc của chúng vào các
tham số đầu vào của kìm. Tuy nhiên, việc phân tích một cách chính xác về sự

5

ổn định của vi hạt trong vùng bẫy và ảnh hưởng của các tham số vào độ ổn
định của vi hạt vẫn đang còn bỏ ngỏ.
Ngoài ra, trong công trình thực nghiệm ứng dụng kìm quang học để
nghiên cứu các tế bào sống [25], [66], [68], vị trí của tế bào không hoàn toàn
giữ nguyên trong quá trình bẫy mà dao động trong một giới hạn nhất định
xung quanh tâm bẫy [53]. Điều này chứng tỏ, độ bền (stifness) hay độ đàn hồi
của kìm quang học có một giá trị nhất định [24]. Độ bền này là tỉ số giữa lực
tác động vào vi hạt và độ lớn li độ dao động của vi hạt so với tâm bẫy. Vì vậy,
độ bền của bẫy phụ thuộc vào lực, kích thước hạt và điều kiện môi trường
[15], [19], [26], [28], [38], [54].
Như vậy, có thể khẳng định rằng vi hạt được bẫy trong kìm quang học
không ổn định lý tưởng mà dao động trong một vùng không gian nhất định và
trong một khoảng thời gian nhất định.
Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm đã nêu ở

trên, vấn đề nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các tham số của kìm quang
học lên độ ổn định của hạt là rất cần thiết. Trước tiên, bằng phương pháp mô
phỏng có thể đưa ra được một số kết luận có tính khoa học để định hướng cho
thực nghiệm nghiên cứu, sử dụng kìm quang học cho các đối tượng vi hạt cần
bẫy.
Đây cũng là những nội dung được đề cập trong luận án “Nghiên cứu ảnh
hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung
Gauss ngược chiều”.
Mục mục đích của luận án: Đưa ra được các luận cứ có tính khoa học,
xây dựng các điều kiện để có thể ổn định được các vi hạt có kích thước cỡ
nano bằng bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.

6

Nghiên cứu được các mối quan hệ tương quan giữa các tham số quang,
tham số cơ, tham số nhiệt tham gia trong quá trình ổn định hạt điện môi trong
kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.
Đối tượng nghiên cứu: Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss
ngược chiều. Đối tượng bẫy là vi hạt điện môi kích thước nanô nhúng trong
chất lưu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Về khoa học: Khảo sát quá trình động học của vi hạt điện môi trong kìm
quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều khi tính đến đồng thời
tác động của quang lực và lực Brown khi hạt được nhúng trong chất lưu.
Chứng minh ảnh hưởng của các tham số quang, cơ lên quá trình động học của
hạt và vùng ổn định của kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược
chiều.
Về thực tiễn: Phân tích các điều kiện ổn định của vi hạt thông qua các
tham số của chùm laser, vi hạt điện môi và một vài chất lưu cụ thể. Chọn các
bộ tham số phù hợp với các vi hạt và chất lưu khi thiết kế kìm quang học sử

dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều. Từ đó, định hướng cho việc điều
khiển đối tượng nghiên cứu như nguyên tử, tế bào sống, sau này.
Phương pháp nghiên cứu:
Từ lý thuyết tương tác giữa trường ánh sáng với vật chất, dẫn ra các
phương trình liên hệ giữa cường độ ánh sáng, quang lực, phương trình động
học của hạt vào các tham số cơ và tham số quang của bẫy quang học sử dụng
hai chùm xung Gauss ngược chiều. Từ đó, mô phỏng bằng phần mềm Matlab
các trường hợp cụ thể và phân tích các kết quả đạt được.


7

Nội dung của luận án:
Kết quả của đề tài nghiên cứu được công bố trong 07 công trình sau:
CT1. H. Q. Quy, M. V. Luu and H. D. Hai, Influence of Energy and
Duration of Laser Pulses on Stability of Dielectric Nanoparticles in
Optical Trap, Comm. in Phys., Vol.20, No.1, 2010, pp.37-43.
CT2. H. Q. Quy, M. V. Luu, Hoang Dinh Hai and Donan Zhuang, The
Simulation of the Stabilizing Process of Dielectric Nanoparticle in
Optical Trap using Counter-propagating Pulsed Laser Beams,
Chinese Optic Letters, Vol. 8, No. 3 / March 10, 2010, pp.332-334.
CT3. H. Q. Quy, H. D. Hai, M. V. Luu, The Influence of Parameters on
Stabe-time “Pillar” in Optical Tweezer using Counter-propagating
Pulsed Laser Beams, Computational methods for Science and
Technology, Special Isue (2)(Ba lan), 2010, pp. 61-66.
CT.4 H. Q. Quy, H. D. Hai, The simulated influence of optical parameters
on stable space-time pillar of nano-particle in optical tweezer using
pulsed laser beams, J. MST, No.5, 02-2010, pp.54-60.
CT.5 H. Q. Quy, H. D. Hai, The simulation of the stabilizing process of
glass nanoparticle in optical tweezer using series of laser pulses,

Commun. In Phys., Vol.22, 2012, pp. 175-181.
CT6. H. Q. Quy, H. D. Hai, V. T. Hoai, Dynamics of the dielctric nano-
particle in temporal-incoherent optical tweezer, Adv. In Opt. Phot.
Spectr. & Appl.(Hội nghị quang học quang phổ 2012) VII, ISSN
1859-4271, 2012, pp. 494-499.
CT7. Q. Q. Ho, D. H. Hoang, Dynamic of the dielectric nano-particle in
optical tweezer using counter-propagating pulsed laser beams,
Journal of Physical Science and Application (USA)Vol. 2, 2012, pp.
345-351.

8

và được trình bày trong luận án với bố cục sau:
Chương 1. Tổng quan về Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss
ngược chiều
Chương này tổng quan một số khái niệm về quang lực và cấu hình của
kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều và chuyên động
Brown. Thông qua đó, phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của
vi hạt trong chất lưu dưới tác động của kìm quang học sử dụng hai chùm xung
Gauss ngược chiều.
Chương 2. Quá trình động học của vi hạt
Chương này thực hiện qui trình mô phỏng quá trình động học của vi hạt
trong chất lưu sử dụng phương trình Langevin với sự tham gia lực Brown và
quang lực. Phân tích sự cạnh tranh của hai lực này trong quá trình một xung
và sự hình thành thời gian bẫy.
Chương 3. Ảnh hưởng của các thông số lên quá trình động học của vi hạt
Chương này phân tích ảnh hưởng của các thông số như: vị trí ban đầu của
vi hạt, năng lượng tổng và bán kính thắt chùm, bán kính vi hạt lên tốc độ
chuyển dịch về tâm kìm của vi hạt và độ dao động của nó tại tâm kìm.
Chương 4. Ảnh hưởng của các tham số lên vùng ổn định

Chương này đề xuất khái niệm về vùng ổn định không gian-thời gian của
vị hạt trong kìm quang học. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số quang học
của kìm, các tham số cơ học của chất lưu và hạt lên vùng ổn định của hạt.
Phân tích lựa chọn các tham số phù hợp để có vùng ổn định không gian - thời
gian tốt nhất.
Phần kết luận chung: Trình bày tóm lược nội dung nghiên cứu chính đã
đạt được và những kết quả mới của luận án.

9

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG
HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU
Trong chương này, một số khái niệm cơ bản liên quan đến quang lực,
kìm quang học, chuyển động của hạt bẫy trong chất lưu dưới tác động của
quang lực và lực Brown được tổng quan. Một số kết quả nghiên cứu ban đầu
về kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều sẽ được giới
thiệu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của kìm quang học làm
tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo trong luận án.
1.1. Quang lực
Photon ánh sáng bước sóng
λ
có động lượng như sau:

ˆ
in in in in
P k k r
= =



ℏ ℏ
(1.1)
trong đó,
2
h
π
=ℏ
, với h là hằng số Plank (
34 2
6,626 10 /
m kg s
−
×
),
in
k

và
in
k
là véc
tơ sóng và số sóng tương ứng (
2 /
in
k
π λ
=
),
in
r


là véc tơ đơn vị dọc theo
phương truyền của tia sáng tới.
Một khi chùm ánh sáng đi vào môi trường có hệ số khúc xạ khác môi
trường ban đầu, tia sáng khúc xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường, xung
lượng của photon thay đổi về hướng, thỏa mãn định luật bảo toàn động lượng
(xem hình 1.1). Sự thay đổi động lượng của photon chuyển qua hạt và sinh ra
một lực tác động lên hạt, đó là quang lực [15].
Lực này thường được phân tích thành hai thành phần: Lực gradient
(gradient force) và lực tán xạ (scattering force). Lực tán xạ của một chùm tia
tác động theo hướng của chùm tia và đNy hạt theo hướng lan truyền. Trong
khi đó, lực gradient tác dụng lên hạt hướng về vùng có cường độ cao nhất
(với hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường) hoặc đNy hạt ra khỏi

10

vùng có cường độ cao (với hạt có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của môi
trường).

Hình 1.1. Tia sáng khúc xạ tại giao diện của hạt điện môi [53].

Giả sử có một chùm tia phân bố năng lượng mô tả như hình 1.1a hội tụ
vào một điểm. Những tia sáng của chùm sẽ khúc xạ tại mặt phân cách của hạt
điện môi và môi trường mà nó lơ lửng trong đó. Giả sử chiết suất của hạt điện
môi lớn hơn chiết suất môi trường, tia sáng K bị khúc xạ về phía phải, dẫn
đến một lực xuất hiện hướng về phía trái; tương tự, tia sáng L làm xuất hiện
lực hướng về phía phải. Nếu cường độ của tia sáng K lớn hơn cường độ của
tia sáng L, kết quả lực tổng hợp có một thành phần hướng sang trái và hạt
được kéo tới vùng có cường độ cao nhất.
Ngoài ra, vị trí của hạt được thay đổi dọc theo trục của chùm tia, gần với

tiêu điểm của chùm tia hình 1.1b. Giả sử một chùm ánh sáng giới hạn bởi hai
tia M và N có cường độ như nhau, hướng lên trên và hội tụ tại điểm F, là tiêu
điểm chính của chùm tia. Khi hạt ở phía trên tiêu điểm, chùm laser sẽ tạo ra
một lực hướng xuống là lực hồi phục hướng về phía tiêu điểm F. Tương tự,
khi hạt ở dưới tiêu điểm, xuất hiện một lực hướng lên. Tuy nhiên, hạt cũng bị
đNy về phía trước một phần do sự phản xạ tại bề mặt như trên hình 1.2.

11

Lực này gọi là lực tán xạ, có xu hướng đNy hạt chuyển động theo chiều lan
truyền của chùm tia.

Hình 1.2. Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt hạt điện môi.

Giả sử vi hạt điện môi có kích thước a nhỏ hơn bước sóng
λ
của ánh
sáng (a
λ
<<
), khi đó có thể coi vi hạt như một lưỡng cực tương tác với trường
ánh sáng, lực tác dụng lên hạt chính là lực Lorentz do tác dụng gradient
trường điện như trên hình 1.3. Sự tương tác của ánh sáng và hạt được xét
trong chế độ Rayleigh, chùm tia có phân bố không gian dạng Gauss, lực
Lorentz hướng về phía tiêu điểm và được xác định như sau [17]:
(
)
(
)
(

)
(
)
(
)
, , , , . , , , , , ,
P t
grad t
F z t p z t E z t p z t B z t
F F
ρ ρ ρ ρ ρ
= ⋅∇ + ∂ ×   
   
= +
  
 
 
(1.2)

Hình 1.3.
L
ự
c tác d
ụ
ng lên h
ạ
t
đ
i
ệ

n môi trong ch
ế

độ
Rayleigh.
trong
đ
ó,
E

,
B

t
ươ
ng
ứ
ng là véc t
ơ
c
ườ
ng
độ

đ
i
ệ
n tr
ườ
ng và véc t

ơ
c
ườ
ng
độ