Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều (tóm tắt)

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






TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ N
ỘI 2014





CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG


Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Hồ Quang Quý



Phản biện 1: PGS. TS Trịnh Đình Chiến
Đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội



Phản biện 2: PGS. TS Đỗ Quốc Hùng
Học viện Kỹ thuật quân sự



Phản biện 3: TS Phạm Vũ Thịnh
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Viện họp
tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ ngày
tháng năm 2014











Có th
ể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viên Khoa học và Công nghệ quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

MỞ ĐẦU

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].
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]. Nhưng 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 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]. 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]. Tuy nhiên, việc phân tích một
cách chính xác về sự ổn định của vi hạt trong vùng bẫy và ảnh hưởng của
các tham s
ố 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

2

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”.
Bố cục của luận án:
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
c
ủa 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.

3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG
GAUSS NGƯỢC CHIỀU
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)
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).

Hình 1.1. Tia sáng khúc xạ tại giao
diện của hạt điện môi [53].
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
ực tác dụng lên hạt điện
môi trong chế độ Rayleigh.
S
ử dụng phép gần đúng Rayleigh (bỏ qua hiện tượng hấp thụ và vi
hạt là hình cầu nhỏ-vi cầu), khi đó, chúng ta viết cho lực gradient:

4


3 2
2
2 1
2
grad
a m
F I
c m
π
 
−
= ∇
 
+
 
(1.10)
với c là vận tốc ánh sáng trong chân không và I là cường độ chùm laser.
Thành phần lực tán xạ định hướng dọc theo sự truyền lan của ánh
sáng được cho bởi [10]:
2
5 6 2
1
3 2
128 1
3 2
scat

n a m
F I
c m
π
λ
 
−
=
 
+
 
(1.11)
1.2. Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều
1.2.1. Cấu hình quang của hai chùm xung Gauss ngược chiều
Sơ đồ nguyên lý quang của kìm quang học sử dụng hai chùm xung
Gauss trong hệ toạ độ Decard [2] được trình bày trong hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ bẫy
quang học sử dụng hai
chùm Gauss ngược chiều
a. Sơ đồ hai chùm Gauss
ngược chiều; b. Mặt
phẳng tâm bẫy; c. Sơ đồ
quang

1.2.2. Biểu thức cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược chiều
Cường độ điện trường của một chùm xung Gauss độc lập [17] có
thể biễu diễn bằng công thức sau:
( )
[ ]

{ }
( )
( )
( )
[ ]
2
0
0 0
2
0
2
2
2 2
0
2
2
2
0
2
2
2 2
0
W
, , , exp
W 2
2
exp
W 4
W
/

exp exp
W 4
z
ik
E z t d xE i kz t
ik z
kz
i
k z
k
t z c
k z
ρ ω
ρ
ρ
τ
= − −
+
 
 
× −
 
+
 
 
 
−
 
 
× − × −

 
 
+
 
 
 


(1.12)
trong đó

( )
2
0
3/ 2
2
2 0 0
4 2
W
U
E
n c
ε π τ
=
 
 
(1.13)
Cường độ điện trường của xung Gauss bên trái sẽ là:
( )
( )

( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
2
0
0 0
2
0
2
2
2
2
0
2
2
2 2
0
2
2
2
2
0
W
, , , exp
W 2 / 2 2
2 / 2

exp
W 4 / 2
W
/ 2 /
exp exp
W 4 / 2
l z
z
z
ik d
E z t d xE i k z t
ik z d
k z d
i
k z d
k
t z d c
k z d
ρ ω
ρ
ρ
τ
 
 
 
= − + −
 
 
 
+ +

 
 
 
 
+
 
× −
 
+ +
 
 
 
− +
 
 
 
 
× − × −
 
 
+ +
 
 
 


(1.14)

5

Cường độ điện trường của xung Gauss bên phải sẽ là:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
2
0
0 0
2
0
2
2
2
2
0
2
2
2 2
0
2
2
2
2
0
W

, , , exp
W 2 / 2 2
2 /2
exp
W 4 /2
W
/ 2 /
exp exp
W 4 /2
r z
z
z
ik d
E z t d yE i k z t
ik z d
k z d
i
k z d
k
t z d c
k z d
ρ ω
ρ
ρ
τ
 
 
 
= − − −
 

 
 
+ −
 
 
 
 
−
 
× −
 
+ −
 
 
 
+ −
 
 
 
 
× − × −
 
 
+ −
 
 
 


(1.15)

Theo [18], từ trường tương ứng trong gần đúng cận trục có thể viết:
(
)
(
)
2 0
, , , ,
H z t yn cE z t
ρ ε ρ
≅


(1.16)
Cường độ xung hay độ chói sáng của một chùm xung Gauss đơn là độ lớn
một véc tơ Poynting trung bình theo thời gian:
(
)
(
)
(
)
2
22
0
2 2
, , , , , ,
W2
exp exp 2
1 4 1 4
I z t S z t zI z t

zkP
z t
z z c
τ
ρ ρ ρ
ρ
τ
≡ =
 
 
 
= − − −
 
 
 
+ +
 
 
 
 



ɶ
ɶ

ɶ
ɶ ɶ
(1.17)
Cường độ chùm xung bên trái:

( ) ( )
( ) ( )
( )
2
2 2
2
2
0
2
, , , , , , exp
1 4 1 4
W
exp 2
z
l z z
t
P
I z t d S z t d z
z d z d
z d k
t
c
ρ
ρ ρ
τ
 
 
= = −
 
+ + + +

 
 
 
+
 
 
× − −
 
 
 
 
 


ɶ

ɶ ɶ
ɶ ɶ
ɶ
ɶ
ɶ
(1.18)
và cường độ chùm xung bên phải:

( )
( ) ( )
( )
2
2 2
2

2
0
2
, , , ( , , , ) exp
1 4 1 4
W
exp 2
z
r z z
t
P
I z t d S z t d z
z d z d
z d k
t
c
ρ
ρ ρ
τ
 
 
= = −
 
+ − + −
 
 
 
−
 
 

× − +
 
 
 
 
 


ɶ

ɶ ɶ
ɶ ɶ
ɶ
ɶ
ɶ
(1.19)
Hai chùm tia có tính chất kết hợp hoàn toàn và truyền lan độc lập với
phân cực vuông góc với nhau, do đó, cường độ tổng của trường
2
l
E
và
2
r
E
có thể mô tả [15] bởi biểu thức sau:
(
)
(
)

(
)
, , , , , , , , ,
z l z r z
I z t d I z t d I z t d
ρ ρ ρ
= +
  
(1.20)
1.2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách d đến phân bố cường độ tổng
Như chúng tôi đã phân tích trong cấu hình quang của hai chùm xung
Gauss ngược chiều, từ các công thức (1.18), (1,19) và (1.20) khoảng cách
giữa hai mặt thắt của chùm tia là một trong những tham số ảnh hưởng đến
cường độ tổng của hai chùm tia. Đặc biệt tham số này ảnh hưởng lớn đến

6

phân bố cường độ trong vùng chồng lấn, vùng có ảnh hưởng lớn đến hiệu
quả bẫy hạt. Do đó, việc khảo sát ảnh hưởng của tham số này lên phân bố
cường độ tổng là rất quan trọng.




a b c d
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).

1.2.4. Ảnh hưởng của mặt thắt chùm tia W
0

đến phân bố cường độ tổng
a b c d
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).

1.2.5. Biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi
Lực tán xạ:
( ) ( ) ( )
2 2
, , , , , , , , ,
scat pr l pr r
n n
F z t d z C I z t d z C I z t d
c c
ρ ρ ρ
= −

 
(1.21)
Lực gradient theo toạ độ hướng tâm:
( )
(
)
( )
(
)
( )
,

2 2
2 0 0 2 0 0
2 , , , 2 , , ,
, , ,
W 1 4 W 1 4
l r
grad
I z t d I z t d
F z t d
cn z d cn z d
ρ
σ ρ ρ σ ρ ρ
ρ ρ ρ
ε ε
= − −
   
+ + + −
   
   
 

ɶ ɶ
ɶ ɶ
ɶ ɶ
(1.22)
Lực gradient theo trục truyền lan:
( )
( )
( ) ( )
(

)
( )
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
2
2
2 4
2
0
0
,
2
2 2 2
2
2 0 0
2
2
2 4
2
0
0
2 2 2
2
2 0 0
2 1 4 2

W
2 , , ,
W
W
1 4
2 1 4 2
W
2 , , ,
W
W
1 4
l
grad z
r
z d z d
z d k
I z t d
kt
F z
n ck c c
z d
z d z d
z d k
I z t d
kt
z
n ck c c
z d
ρ
σ ρ

ε τ τ
ρ
σ ρ
ε τ τ
 
+ + + −
+
 
= − − +
 
 
+ +
 
 
− + − −
−
 
+ − +
 
+ −
 
 
ɶ ɶ
ɶ
ɶ
ɶ ɶ
 ɶ

ɶ
ɶ

ɶ
ɶ ɶ
ɶ
ɶ
ɶ ɶ
 ɶ
ɶ
ɶ
ɶ
(1.23)

1.2.6. Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W
0
lên phân bố quang lực dọc
Nếu vi hạt nằm trong vùng ranh giới hai vùng bẫy, nó sẽ dao động tự
do (chuyển động nhiệt), nghĩa là các thành phần quang lực không có vai trò
bẫy hạt điện môi. Theo chiều tăng của bán kính mặt thắt chùm tia, độ lớn

7

các vùng bẫy tăng dần, nhưng giá trị cực đại của quang lực lại giảm với kết
quả trình bày trên (hình 1.9),

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).


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












Hình 1.10. Phân b
ố 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).

8

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









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).


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

Hình 1.12. Phân bố quang lực ngang trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho các giá
tr
ị của W
0
: 0,5µm (a); 1µm (b); 1,5µm (c) và 2µm (d).
Quang lực ngang tạo ra một hố thế như trên hình 1.13. Tất cả các vi
hạt rơi vào hố thế luôn luôn có xu hướng bị hút xuống đáy, tức là bị lực
ngang đNy vào tâm của kìm. Theo chiều tăng của kích thước bán kính mặt
thắt thì vùng bẫy lớn dần, tức là, bán kính của mặt hố thế lớn dần. Độ cao
của hố thế chính là giá trị cực đại của lực ngang. Giá trị cực đại của lực
ngang thay đổi theo bán kính mặt thắt chùm tia được trình bày trên hình

9

1.14 [27].

x
y


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

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

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).

1.2.11. Ảnh hưởng của độ rộng xung lên quang lực ngang





10







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).

1.3. Chuyển động Brown của vi hạt điện môi trong chất lưu
Các hạt chuyển động theo quỹ đạo như hình 1.17 được định nghĩa

là hạt Brown.

Hình 1.17. Mô
hình chuyển
động Brown

Phương trình đầy đủ mô tả chuyển động của hạt trong chất lưu:
. 2. . . ( ) . .
N
dv
m v F D h t m g k r
dt
α α
= − + + + +



  
(1.31)
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của bẫy quang học
1.4.1. Sự cần thiết của sự ổn định
Chúng ta biết rằng để nghiên cứu được các đặc điểm, đặc tính của
một hạt điện môi trong chất lưu hoặc một nguyên tử trong buồng lạnh thì
phải định vị hạt điện môi trong một vùng nhất định (vùng ổn định càng
nhỏ càng tốt). æn định của hạt không chỉ dừng lại về phương diện không
gian (ổn định trong một không gian nhất định) mà cả thời gian (ổn định
trong một khoảng thời gian mong muốn).
1.4.2. Các y
ếu tố ảnh hưởng đến ổn định của hạt trong quá trình bẫy.
- Năng lượng của chùm laser;

- Độ rộng xung laser;
- Mặt thắt chùm tia laser (phân bố
không gian của chùm laser);

- Khoảng cách giữa hai mặt thắt
- Đặc trưng của hạt (kích thước,
chiết suất).
- Đặc trưng của chất lưu (độ nhớt,
chiết suất, nhiệt độ).

11

1.5. Kết luận chương 1
Trong chương này, một số kiến thức cơ bản như lực quang học,
cấu hình kìm quang học sử dụng hai chùm tia ngược chiều, ảnh hưởng của
các tham số quang lên phân bố quang lực, chuyển động Brown và một số
yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của kìm quang học đã được trình bày.
Quang lực là áp lực của ánh sáng tác động lên vật chất, tuy nhiên,
với ánh sáng không kết hợp các lực này rất yếu.
Chùm laser kết hợp, định hướng, công suất trung bình (E=1µJ)
cũng có thể tác động lên vi hạt một lực vào khoảng 0,01÷30 pN, tương
đương với lực tương tác giữa các đại phân tử trong chuỗi ADN, phụ thuộc
vào khNu độ số của hệ kính vật hội tụ [69].
Nhờ các lực này, các chùm tia laser có gradient cường độ sẽ kéo
vi hạt vật chất vào vùng có cường độ cao khi được nhúng trong môi
trường có chiết suất nhỏ hơn và kéo vi hạt vào vùng có cường độ thấp khi
nhúng trong môi trường có chiết suất lớn hơn (quang lực gradient) và đNy
vi hạt theo chiều truyền lan (quang lực tán xạ). Hệ quang sử dụng chùm
laser hội tụ (tạo ra gradient cường độ) để giữ vi hạt nhúng trong môi
trường chất lưu gọi là kìm quang học.

Quang lực tác động lên vi hạt được tính theo ba chế độ khác nhau
phụ thuộc vào tỉ lệ giữa bước sóng laser
λ
và bán kính vi hạt a (giả thiết vi
hạt có dạng vi cầu). Chế độ quang hình được áp dụng khi
a
λ
>>
, chế độ
Rayleigh khi
a
λ
<<
và chế độ Mie khi
a
λ
∼
.
Kìm sử dụng cặp chùm xung Gauss ngược chiều có phân cực
vuông góc với nhau được thiết kế nhằm nâng cao quang lực và tránh được
quang lực tán xạ. Trong kìm quang học này, cường độ laser là tổng của
cường độ hai chùm thành phần và quang lực tác động lên vi hạt sinh ra từ
cường độ tổng này. Do đó, giá trị và phân bố quang lực trong không gian-
thời gian phụ thuộc vào các tham số cấu trúc của kìm như: năng lượng
chùm tia, bán kính thắt chùm, khoảng cách giữa hai thắt chùm, độ rộng
xung,… Ngoài ra, quang lực còn phụ thuộc vào bán kính vi hạt, độ nhớt
của chất lưu [27], [40].
Những tham số này không những ảnh hưởng trực tiếp đến quang
lực và phân bố của nó mà còn ảnh hưởng đến quá trình động học của vi
hạt trong môi trường chất lưu và sự ổn định của kìm (hay sự ổn định của

vi hạt trong không gian- thời gian) [33], [37].
Quá trình động học của vi hạt trong chất lưu là chuyển động
Brown n
ếu không có trường ngoài tác động. Trong kìm quang học, ngoài
lực Brown, vi hạt bị tác động điều khiển bởi quang lực (được xem như lực
ngoài), do đó, động học của vi hạt được mô tả bởi phương trình Langevin
với sự tham gia của hai lực nói trên. Động học của vi hạt trong môi trường
chất lưu dưới tác động của quang lực sẽ quyết định sự ổn định của kìm
quang học [29], [31].

12

Chương 2
QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT
2.1. Phương trình Lagevin cho trường hợp tổng quát
Để khảo sát chuyển động của vị hạt trong chất lưu, chúng ta xuất
phát từ định luật 2 Newton cổ điển [24]
d
m f
dt
υ
=


(2.1)
trong đó,
totalvis
fff




+=
(2.2)
Chúng ta nhận được phương trình đầy đủ mô tả chuyển động của vi hạt
trong chất lưu như sau:
.
N Brown gravity Hydrate
d
m F f f f
dt
υ
α υ
= − + + + +

  


(2.8)
. 2. . . ( ) . .
N
dv
m v F D h t m g k r
dt
α α
⇔ = − + + + +



  
(2.9)

2.2. Phương trình động học của vi hạt trong bẫy quang học sử dụng
hai chùm xung Gauss ngược chiều
Phương trình chuyển động của vi hạt được rút gọn như sau:
2D ( )
opt
dv
m v F h t kr
dt
α α
= − + + +



 
(2.10)
Quang lực tác động lên hạt gồm hai lực, lực gradient (
rad
g
F

) và lực tán xạ
(
scat
F

), tức là
rad rad, rad,z rad,
opt g scat g g scat g z
F F F F F F F F
ρ ρ

= + = + + = +
       
(2.11)
Để khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đó chúng tôi chọn phương
án mô phỏng chuyển động của vi hạt, từ đó, phân tích ý nghĩa vật lý của
hiện tượng. Thuật toán mô phỏng sẽ được giới thiệu trong phần sau đây.
2.3. Thuật toán và quy trình mô phỏng
Chúng tôi khảo sát chuyển động hai chiều (trên mặt phẳng) và vị
trí của vi hạt thủy tinh trong nước bằng phương pháp động học Brown.
Mẫu đơn chất lưu được sử dụng để mô tả chuyển động của vi hạt và do
đó, phương trình chuyển động sau đây được tính cho mỗi hạt trên mặt
phẳng tiêu bản [17], [24]:
rad,
( ( ))
( ) ( ) 2. . . ( )
g
F t
t t t t D t h t
ρ
ρ
ρ δ ρ δ δ
α
+ − = +



 
(2.18)
T
ại thời điểm

0
0
=
t
, chúng ta giả thiết hạt đang nằm ở vị trí
0
)0(
ρρ
=
,
quang lực
),0(
0,
ρ
ρ
FF
grad


=
. Sử dụng (2.18) chúng ta tìm được vị trí của hạt
trong bẫy
(
)
tt
δ
ρ
ρ
+
=

0)(
1
, tức là tính
δρ
sau khoảng thời gian
t
δ
. Sau
đó, thay
)(
1
t
ρ
và
1
t
vào các công thức (2.13)÷(2.15) ta tính được quang

13

lực
(
)
),(
11,
ttFF
grad
ρ
ρ



=
. Quá trình này tiếp tục cho đến thời điểm
τ
6=
n
t
.
Sử dụng chương trình Matlab, quá trình mô phỏng đã được thực hiện. Quá
trình động học của hạt trong kìm được mô phỏng thông qua quỹ đạo
chuyển động của hạt trong thời gian xung và ảnh hưởng của các tham số
chùm tia laser, môi trường chất lưu lên quỹ đạo và tốc độ thay đổi quỹ đạo
2.4. Chuyển Brown trong mặt phẳng tiêu bản





a b c d
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
=
.

Tuy nhiên, dạng chuyển động với các bước thời gian mô phỏng khác nhau
vẫn ngẫu nhiên.




a b c d
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
=
.

2.5. Quá trình động học của vi hạt khi có quang lực

Hình 2.3. Vị trí của hạt trong bẫy Hình 2.4. Vị trí của hạt trên mặt
tiêu bản.

14

Sau khi về tâm bẫy hạt bị giam trong tâm bẫy. Mặc dù lực Brown
vẫn tác dụng lên hạt nhưng không thể thắng được quang lực. Lực gradient
có tính đối xứng qua tâm nên hạt bị kéo, đNy qua lại, tức là dao động
tương đối so với tâm bẫy, trong khoảng thời gian này chúng ta có thể xem
hạt đứng yên hay có thể nói hạt ổn định trong vùng lân cận tâm bẫy (vùng

3). Quá trình ổn định được kéo dài trong khoảng thời gian từ thời điểm lân
cận t=1,6(ps) đến thời điểm lân cận t=4,4(ps) [30] hình 2.5

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.

2.6 Kết luận chương 2
Với trường hợp khi chưa chịu tác dụng của quang lực thì quá trình
động học của hạt là một chuyển động ngẫu nhiên dưới tác dụng của lực
Brown.
Với trường hợp kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss
ngược chiều với các tham số đã cho, trong thời gian một xung hạt thủy
tinh (có kích thước a=10 nm, chiết suất n
1
=1,592 được nhúng trong nước
chiết suất n
2
=1,332 và độ nhớt
η
=7,797x10
-4

Pa.s, ở nhiệt độ phòng
T=25
0
C) có quá trình động học nhất định, có giai đoạn dao động ổn định
(trong khoảng thời gian 2τ) và có giai đoạn chuyển động ngẫu nhiên. Quá
trình này thay đổi phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau thông qua các
giá trị của các tham số đầu vào.
+ Dưới tác động của quang lực, vi hạt dao động nhỏ trong vùng
ổn định không gian-thời gian (hình 2.5). Bán kình vùng ổn định tương
đương với bán kính vi hạt (∼ a), còn thời gian ổn định của vi hạt vào
khoảng 2τ. Trong mẫu ví dụ trên, bán độ rộng xung được chọn là 1ps. Tuy
nhiên, trong thực nghiệm, độ rộng xung có thể kéo dài hơn với điều kiện
phải tăng tỉ lệ năng lượng và giảm tỉ lệ bán kính thắt chùm laser, sao cho
công suất không đổi.
Trên đây chúng ta khảo sát động học của vi hạt với một vài giá trị
khác nhau c
ủa năng lượng và vị trí ban đầu của vi hạt nhằm mục đích
phân tích sự cạnh tranh giữa quang lực và lực Brown. Nhưng rõ ràng động
học của vi hạt phụ thuộc rất nhiều vào các tham số khác. Trong chương 3
chúng ta sẽ khảo sát một cách cụ thể hơn để thấy được ảnh hưởng của các
tham số lên động học của vi hạt và rút ra điều kiện hoạt động của kìm
quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.

15

Chương 3
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ
LÊN QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT
3.1. Ảnh hưởng của vị trí ban đầu của vi hạt

a b c d
Hình 3.1 Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U=0,5.10
-6
(J); ρ
0
= 2(µm)(a); ρ
0
= -2(µm)(b); ρ
0
= 1(µm)(c); ρ
0
=-1(µm)(d).
Vậy quá trình động học của hạt đối với các trường hợp vị trí ban
đầu khác nhau nó chỉ khác nhau ở giai đoạn đầu khi cường độ xung nhỏ,
khi cường độ xung lớn (vùng ổn định) quá trình động học là như nhau.
Tuy nhiên điều này không đúng với giá trị khác của năng lượng,
kích thước hạt cũng như độ rộng xung. Để thấy rõ điều đó chúng tôi khảo
sát giá trị năng lượng của xung U=0,1.10
-6
J nhỏ hơn trường hợp trên thì
quá trình động học của hạt được mô phỏng tương ứng các vị trí ban đầu
khác nhau thấy rõ trong hình 3.2.



a b c d

Hình 3.2. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U=0,1.10
-6
(J); ρ
0
= 1(µm)(a); ρ
0
= 2(µm)(b); ρ
0
= 3(µm)(c); ρ
0
= 4(µm)(d).
3.2. Ảnh hưởng của năng lượng tổng



a b c
Hình 3.4. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số:
U: 0,01(µJ)(a); 0,1(µJ)(b); 0,2(µJ)(c)

16

3.3. Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia




a b c d
Hình 3.5. Quá trình động học của hạt trong bẫy với các thông số
W

0
=1(µm)(a); W
0
=2(µm)(b); W
0
=3(µm)(c); W
0
=4(µm)(d).
Khi bán kính thắt chùm tăng, trong khi đó, năng lượng tổng không
đổi, do đó, cường độ đỉnh giảm (xem công thức 2.16). Tăng bán kính thắt
chùm đồng thời giảm cường độ đỉnh dẫn đến giảm gradient cường độ. Kết
quả kéo theo quang lực gradient giảm nhanh và vi hạt khó bị kéo về vị trí
tâm bẫy.
3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt




a b c d
Hình 3.6. Quá trình động học của hạt trong bẫy tương ứng với các thông
số: a= 8(nm)(a); a= 10(nm)(b); a= 14(nm)(c); a= 18(nm)(d).
Qua kết quả mô phỏng cho thấy rằng các vi hạt có bán kính khác
nhau có quá trình động học khác nhau. Các vi hạt lớn có xu hướng chuyển
động về tâm kìm nhanh hơn và ổn định tại đó lâu hơn, các vi hạt nhỏ thì
ngược lại, độ linh động của chúng lớn hơn.
3.5. Kết luận chương 3
Trước khi sử dụng kìm quang học cần đưa vi hạt vào vùng bẫy, vì
vi hạt xa tâm bẫy cần chùm laser có năng lượng lớn và bán kính thắt chùm
lớn (sẽ làm giảm gradient cường độ). Tốt nhất, điều khiển vi hạt cách tâm
xa nhất bằng bán kính thắt chùm, tại đó, quang lực đã có tác động.

Để bẫy được vi hạt có bán kính thước a=10 nm nhúng trong chất
lưu có độ nhớt
η
=7,797x10
-4
Pa.s, ở nhiệt độ phòng T=25
0
C, có tỉ số chiết
suất n
2
=1,332 (so với chiết suất của vi hạt n
1
=1,592), kìm quang học cần
sử dụng hai chùm xung laser Gauss có năng lượng tổng U > 0,1µJ và bán
kính thắt W
0
=1 µm.

17

Nếu sử dụng chùm laser có năng lượng tổng lớn hơn, ví dụ
U=0,9µJ, thì bán kính thắt chùm của nó phải nhỏ hơn 4µm, tốt nhất
W
0
=1µm. Nếu sử dụng hệ vật kính tạo ra chùm có bán kính thắt chùm
W
0
> 4µm, kìm quang học sẽ không bẫy được vi hạt trên.
Kìm quang học sử dụng laser trên (U=0,9µJ, W
0

=1µm) sẽ có hiệu
quả hơn nếu bẫy các vi hạt có kích thước lớn hơn hoặc bằng 10nm, tuy
nhiên nằm trong giới hạn Rayleigh (a<< λ). Quang lực đóng vài quyết
định về sự ổn định của vi hạt có kích thước lớn.
Khi năng lượng càng cao, bán kính thắt chùm càng nhỏ và bán kính
vi hạt càng lớn thì vi hạt tồn tại lâu hơn trong vùng tâm kìm. Thời gian tồn
tại của vi hạt và độ lớn vùng không gian lân cận tâm kìm (sau đây sẽ định
nghĩa vùng ổn định không gian-thời gian) phụ thuộc vào các tham số đã
khảo sát và một số tham số liên quan khác. Những vấn đề này sẽ được
nghiên cứu và trình bày trong chương 4 tiếp sau đây.

18

Chng 4
NH HNG CA CC THAM S
LấN VNG N NNH CA KèM

4.1. Khỏi nim v vựng n nh khụng gian - thi gian
Kt qu chng 3 cng cho thy rng trong vựng n nh vi ht
khụng n nh hon ton m dao ng trong mt din tớch gii hn lõn cn
tõm by vi bỏn kớnh


, trong mt khong thi gian
t

. Ta núi: Vi
ht n nh trong khi tr khụng gian - thi gian hay kỡm cú vựng n
nh khụng gian - thi gian xỏc nh (hỡnh 1.4). Thc t cho thy, n
nh ca vi ht cng cao khi

cng nh v
t

cng ln [29], [30], [35].


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

Thi gian n nh c xỏc nh nh sau:
out in
t t t
=
(4.1)

Giỏ tr ca ng kớnh vựng n nh khụng gian c ly trung
bỡnh theo bc mụ phng trong khong thi gian n nh t v c xỏc
nh nh sau [31]:
2 2
out in
i i
i i
t tt
t t

= =


(4.2)
Bng cỏc bc mụ phng nh trong chng 2 v 3, chỳng ta xỏc
nh c cỏc giỏ tr ca
t

v



trờn vi cỏc tham s u vo thay i.
4.2. nh hng ca nng lng xung laser lờn vựng n nh
2
2.5
3
3.5
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
Nng lng xung Laser U( àJ)
Thi gian n nh t(ps)

0
5
10
15
20
25
30
35

40
45
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
Nng lng xung Laser U(àJ)
ng kớnh vựng n nh (nm)
Hỡnh 4.3. S ph thuc ca thi
gian n nh vo nng lng laser
Hỡnh 4.4. S ph thuc ca
ng kớnh vựng n nh vo
nng lng laser


19

4.3. Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm lên vùng ổn định
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 1.3 1.6 1.9 2.2
Bán kính mặt thắt xung laser W
0
(µm)
Thời gian ổn định ∆t(ps)
12
15
18
21

24
27
30
33
1 1.3 1.6 1.9 2.2
Bán kính mặt thắt xung laser W
0
(µm)
Đường kính vùng ổn định ∆ρ(nm)

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của thời
gian ổn định vào bán kính thắt chùm
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của đường
kính vùng ổn định vào bán kính
thắt chùm.
4.4. Ảnh hưởng của độ rộng xung lên vùng ổn định
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Bán độ rộng xung τ(ps)
Thời gian ổn định ∆t(ps)

10
15
20
25
30
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Bán độ rộng xung (ps)
Đường kính vùng ổn định ∆ρ(nm)

Hình 4.7. Sự phụ thuộc của thời
gian ổn định vào độ rộng xung
Gauss.
Hình 4.8. Sự phụ thuộc của đường
kính vùng ổn định vào độ rộng
xung Gauss.
4.5. Ảnh hưởng của tần số lặp xung laser lên sự ổn định


Hình 4.9. Ổn định của vi hạt phụ
thuộc tần số lặp xung
1
6.
f
τ
= .
Hình 4.10. Ổn định của vi hạt phụ
thuộc tần số lặp xung
1
4.

f
τ
= .

Hình 4.11.
Ổn định của vi hạt phụ
thuộc tần số lặp xung
1
3.
f
τ
= .
Hình 4.12. Ổn định của vi hạt phụ
thuộc tần số lặp xung
1
2.
f
τ
= .
Như vậy, có thể thay vì sử dụng laser liên tục năng lượng lớn mà có thể sử
dụng những xung laser năng lượng thấp hơn nhưng với tần số lặp cao
cũng tạo ra được vùng ổn định tốt.


20

4.6. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định
Trong thực tế khi chế tạo bẫy quang học sử dụng hai chùm xung
Gauss ngược chiều thường không thể loại bỏ hết sai lệch khách quan như:
Việc chọn hệ quang, quang trình từ hai chùm xung Gauss đến tiêu bản,

dẫn đến có sự lệch pha giữa hai xung (có độ trễ giữa hai xung). Vì vậy, sự
ảnh hưởng của độ trễ thời gian lên vùng ổn định là vấn đề rất cần được
quan tâm.


a b
Hình 4.13. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 0.
a. Mô phỏng động học của vi hạt;
b. Cường độ xung bên phải (1), bên trái (2) và xung tổng (3)
Qua kết quả thấy rằng, khi không có trễ xung hay hai xung cùng
truyền đến tâm bẫy (trường hợp n=0) không có độ lệch pha nên cường độ
tổng được tăng cường và do đó đường kính vùng ổn định gần bằng bán
kính vi hạt. Thời gian ổn định bằng hai lần bán độ rộng xung (hình 4.13).


a b
Hình 4.14. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 1τ.
a. Động học của hạt;
b. Cường độ xung bên phải (1), bên trái (2) và xung tổng (3).


a b
Hình 4.15. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 2τ.
a. Động học của hạt;
b. Cường độ xung bên phải (1), bên trái (2) và xung tổng (3)

21

Khi độ trễ tăng lên δT=3τ, hạt không còn ổn định liên tiếp mà bị chia
thành hai vùng, ở giữa là giao động Brown (hình 4.16).

a b
Hình 4.16. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 3τ.
a. Động học của hạt;
Cường độ xung bên phải (1), bên trái (2) và xung tổng (3)
Trường hợp n=4 thì hiện tượng mất ổn định càng rõ ràng hơn
(hình 4.17), lúc này bẫy quang học trở về trường hợp bẫy một xung và xét
cho quá trình bẫy của hai xung liên tiếp.


a b
Hình 4.17. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 4τ.
a. Động học của vi hạt;
Cường độ xung bên phải (1), bên trái (2) và xung tổng (3)
Từ các kết quả mô phỏng trên cho thấy độ trễ cho phép của hai
xung
2
T
δ τ
<

mới có thể tạo ra vùng ổn định của bẫy.
4.7. Ảnh hưởng của bán kính vi hạt lên vùng ổn định
1
1.5
2
2.5
3
3.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Bán kính hạt bẫy a(nm)
Thời gian ổn định ∆t(ps)

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Bán kính hạt bẫy a(nm)
Đường kính vùng ổn định ∆ρ(nm)

Hình 4.18. Sự phụ thuộc của thời
gian ổn định vào bán kính vi hạt.
Hình 4.19. Sự phụ thuộc của
đường kính vùng ổn định vào bán
kính vi hạt.
Từ kết mô phỏng chúng ta nhận thấy hạt có sự ổn định cao hơn
khi bán kính vi hạt lớn.

22

4.8. Ảnh hưởng của độ nhớt chất lưu lên vùng ổn định
Chiết suất của các chất ở nhiệt độ 20
o
C được tính thông qua công
thức bán thực nghiệm sau [1]:
( )
2
2
5 6
4
0 1 2 3 7
2 2 2 2 2
2
1
1/
2
UV IR
a a
an
a a a T a T a
n
ρ ρ λ ρ
λ λ λ λ λ
−
= + + + + + + +
+
− −
(4.3)

Bảng 4.1. Độ nhớt của một số chất lưu [1].
TT Chất lưu
Độ nhớt
η
[mPa.s]
1 Alcohol methyl 0,59
2 Nước 1,00
3 Alcohol ethyl 1,1
4 Alcohol ethyl 2,4
Sử dụng độ nhớt và chiết suất của các chất lưu trong bảng 4.1, ảnh
hưởng của thời gian ổn định và đường kính vùng ổn định vào độ nhớt
được mô tả trên hình 4.20 và 4.21 [29], [30].
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8
Độ nhớt chất lưu η (mPa.s)
Thời gian ổn định ∆t(ps)

10
12
14
16
18
20
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8
Độ nhớt chất lưu η (mPa.s)
Đường kính vùng ổn định ∆ρ(nm)

Hình 4.20. Sự phụ thuộc của thời
gian ổn định vào độ nhớt chất lưu.
Hình 4.21. Sự phụ thuộc của
đường kính vùng ổn định vào độ
nhớt chất lưu.
Từ hai hình trên chúng ta có nhận xét rằng: Khi chất lưu tăng độ ổn
định của hạt cũng tăng. Điều này dễ dàng giải thích: khi độ nhớt tăng độ
linh động của hạt giảm và do đó, hạt ổn định hơn.
Ngoài các tham số trên, các tham số như bước sóng laser, nhiệt độ
chất lưu, chiết suất,… có ảnh hưởng lên độ ổn định của vi hạt. Tuy nhiên,
chúng ta có thể sử dụng phép tương tự dựa trên quan hệ giữa các tham số
để xét đến các ảnh hưởng này. Ví dụ: thông qua biểu thức năng lượng
tổng U và bán kính thắt chùm W
0
có thể suy ra bước sóng của laser. Hay
thông biểu thức tính hệ số khuếch tán D có thể suy ra nhiệt độ. Từ đó, có
thể suy luận được ảnh hưởng của các tham số trên lên độ ổn định của vi
hạt.
4.9. K
ết luận chương 4
Trong chương này chúng ta đã khảo sát ảnh hưởng của các tham số
quang học cũng như cơ học của kìm lên vùng ổn định không gian - thời
gian. Qua những kết quả mô phỏng cho từng trường hợp cụ thể trên,
chúng tôi có thể khẳng định các tham số quang học cũng như cơ học đều
có ảnh hưởng nhất định đến vùng ổn định của hạt.

23

- Vùng ổn định tăng lên khi sử dụng các laser có năng lượng cao
hơn;

- Độ rộng xung và bán kính mặt thắt chùm tia ảnh hưởng đến
vùng ổn định của hạt. Việc tăng hay giảm hai đại lượng này đều có sự ổn
định của hạt nhưng phải phụ thuộc vào nhu cầu thực tế của các phương án
lựa chọn: tăng thời gian ổn định hay giảm đường kính vùng ổn định. Giảm
độ rộng xung (năng lượng không thay đổi) độ ổn định của vi hạt sẽ tăng,
nhưng thời gian ổn định ngắn. Tăng độ rộng xung đồng thời với tăng năng
lượng sẽ tăng thời gian ổn định. Tăng bán kính thắt chùm, vùng ổn định sẽ
tăng lên nhưng độ ổn định sẽ giảm, giảm bán kính thắt chùm độ ổn định sẽ
cao, nhưng vùng ổn định không gian sẽ hẹp. Trong trường hợp này, chỉ
một dao động nhỏ cũng sẽ làm mất ổn định của vi hạt (vi hạt sẽ ra khỏi
vùng ổn định).
- Thời gian ổn định của hạt lớn khi sử dụng xung có tần số lặp cao
tuy nhiên, trong thực tế có thể sử dụng laser có công suất lớn và tần số
phù hợp thì vi hạt cũng có thể ổn định trong khoảng thời gian cần thiết.
- Việc thiết kế kìm quang học cần chú ý đến độ lệch pha giữa hai
nguồn laser vì độ trễ pha giữa hai nguồn làm ảnh hưởng rất nhiều đến thời
gian ổn định của vi hạt, thời gian trễ δT>2τ thì bẫy không còn vùng ổn
định.
Từ kết quả của mẫu cụ thể đã nghiên cứu, bằng các biểu thức lý
thuyết đã đưa ra và phương pháp mô phỏng đã áp dụng, chúng ta có thể
mở rộng để mô phỏng cho các trường hợp khác. Trong mỗi trường hợp cụ
thể chúng ta có thể chọn ra được các bộ tham số liên quan tối ưu.