Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung gauss ngươc chiều ( Luận án tiến sĩ)

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.....

1.2.2

Biểu thức cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược

15

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 W0 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 W0 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

1.2.9

dọc.......................................................................................

27

Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W0 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

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

1.5

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............................................................................

Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN VÙNG ỔN
ĐNNH CỦA KÌM.....................................................................................

70
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

Cpr

Tiết diện tán xạ

D

Hệ số khuếch tán

d

Khoảng cách giữa hai đỉnh xung

E0

Năng lượng tổng của chùm tia

El

Cường độ điện trường của chùm bên trái

Er

Cường độ điện trường của chùm bên phải

E

Véc tơ cường độ điện trường

ε0

Hằng số điện môi

Fgrad

Lực gradient

Fp

Lực Lorentz

Fscat

Lực tán xạ

Ft

Thành phần lực do biến đổi của từ trường

f

Lực tổng hợp tác động vào hạt

f vis

Lực tác động phụ thuộc vận tốc

f total

Lực tác động không phụ thuộc vận tốc

f Brown

Lực Brown


ii

f gravity

Trọng lực

f Hydrate

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)

Il

Cường độ chùm tia bên trái

Ir

Cường độ chùm tia bên phải

I

Cường độ tổng của hai chùm tia

k

Số sóng

k

Véc tơ sóng

m = n1

n2

Tỉ số chiết suất hạt bẫy với môi trường chất lưu

m

khối lượng hạt bẫy

µ0

Độ từ thNm trong chân không

n1

Chiết suất của hạt điện môi hình cầu

n2

Chiết suất của môi trường chứa hạt điện môi

Pp

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

ω0

Tần số sóng

W0

Bán kính tiết diện thắt chùm tại mặt phẳng z =0


iii

λ

Bước sóng của chùm laser

ρ0

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

δT

Độ trễ thời gian giữa hai xung


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
20
0µm (d)...........................................................................................
Hình 1.8. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của bán
kính mặt thắt W0: 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 W0:0.5µm(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 W0: 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 Fgrad,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, Fgrad,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 ρ0= 1(µm) với bước thời gian mô phỏng
khác nhau:
a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000 ......

50

Hình 2.2. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách
trục chùm tia một khoảng ρ0= 0(µm) với bước thời gian mô phỏng
khác nhau:
a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000 ......

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), ρ0= 0(m),
W0=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), ρ0= 0(m),
W0=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), W0=1(µm), thời
gian xung t=(0÷ 6) ps. ρ0= 2(µm)(a); ρ0= -2(µm)(b);
ρ0= 1(µm)(c); ρ0=-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), W0=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), W0=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), W0=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, W0=1(àm)(a); W0=2(àm)(b); W0=3(àm)(c);
W0=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), W0 =1(àm),
t=(0ữ6)ps: a= 8(nm)(a); a= 10(nm)(b); a=14(nm)(c);
a=
68
18(nm)(d)......................................................................................
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 f = 1 6.τ .....
Hình 4.10. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 4.τ ...

80

Hình 4.11. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 3.τ ...
Hình 4.12. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 2.τ ...

80

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

80
81

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 10-12m3 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.


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full