Điều khiển vi hạt trong không gian ba chều bằng kìm quang âm

ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ THU LOAN

ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG
KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG
KÌM QUANG -ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thái Nguyên-2018


ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ THU LOAN

ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG
KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG
KÌM QUANG -ÂM

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 844.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

.

TS Nguyễn Mạnh Thắng

Thái Nguyên-2018


LỜI CAM
ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận văn này là công trình nghiên cứu
của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Mạnh Thắng. Các kết
quả trong luận văn là trung thực chưa có trong các luận văn khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu
Loan

i


LỜI CẢM
ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Mạnh Thắng,
người Thầy đã hướng dẫn tận tình và động viên bản thân tôi trong quá trình nghiên
cứu thực hiện luận văn với tinh thần đầy trách nhiệm. Thầy đã giúp tôi nâng cao
kiến thức, nghị lực, phát huy được sáng tạo và hoàn thành tốt luận văn.
Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến quí Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý Trường Đại
học Thái Nguyên - Đại học Khoa học đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho
nội dung của luận văn, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và
nghiên cứu.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng
nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.

ii


MỤC
LỤC
Mở đầu......................................................................................................... ......... ......1
Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN..... .......... .......3
1.1 Quang lực…………………………………………………………… ............. ….3
1.2 Bẫy quang học……………………………………………………............. …….8
1.3 Kìm quang học (KQH) .......................................................................................... 9
1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder ............................................
9
1.3.2. KQH theo nguyên lý khúc xạ quang- âm ........................................................
10
1.3.3. KQH kết hợp nguyên lý quang-âm và quay Galvo ......................................... 11
1.3.4. KQH theo nguyên lý kết hợp thông minh ........................................................
12
1.3.5 KQH phi tuyến.................................................................................................. 13
1.4. Kết luận .............................................................................................................. 15
Chương 2:CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG-ÂM .......................... 16
2.1. Biến điệu quang âm............................................................................................ 16
2.2 Cấu hình mảng vi thấu kính biến điệu quang âm................................................ 18
2.3. Cấu hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang-âm24
2.3.1. Mô hình ........................................................................................................... 24
2.3.2. Tiêu cự vi thấu kính ......................................................................................... 26
2.3.3 Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính ............................................................. 26
2.3.4. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính ........................................ 27

2.3.5 Quang lực gradient dọc và ngang.................................................................... 31
2.4. Kết luận .............................................................................................................. 36
Chương 3: ĐIỀU KHIỂN VI HẠT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ SÓNG ÂM378
3.1. Gán nhãn cho các kìm đơn ............................................................................... 378
3.2. Tọa độ hạt bẫy trong không gian ..................................................................... 389
3.3 Mô phỏng quỹ đạo của các hạt bẫy trong quá trình điều khiển .......................... 40
3.3.1 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý pha ban đầu ............................. 40
3.3.2 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý tần số ....................................... 42
3.4. Kết luận .............................................................................................................. 46
KẾT LUẬN CHUNG.............................................................................................. 478
Một phần kết quả nghiên cứu đã được công bố trong công trình......... ......... ......... 49


TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 4950

iii


Ký hiệu và thuật ngữ viết tắt

Viết tắt

Giải thích nghĩa

Giải thích nghĩa

ICOT

Intelligently Control Optical Mảng kìm quang học thông minh.
Tweezers

AOD

Acousto - Optical Deflector

Linh kiện phản xạ quang - âm.

NA

Numerical Aperture

Khẩu độ số.

IOT

Interferometric Optical Trap

Mảng kìm giao thoa quang.

Ký hiệu
F , Fgrad ,
Ftx

Fs
I, I0

Ý nghĩa, đơn vị
Quang lực; Lực gradient; Lực tán xạ (N)
Tần số sóng âm (Hz)
2

Cường độ laser (W/m )
2

Is

Cường độ sóng âm (W/m )

M

Hằng số đáp ứng (m /W)

N

Số photon

NA

Khẩu độ số

P, P0

Công suất (W)

2

S0

Biên độ sóng âm (V/m)

Vs

Vận tốc sóng âm (m/s)

c

Vận tốc ánh sáng (m/s)

d

Độ dày môi trường (m)

f

Quang lực của một photon (N)

fa

Tần số ánh sáng (Hz)

f, f1, f2

Tiêu cự thấu kính (m)

K

Số sóng (1/m)

m

Tỉ số chiết suất

n, nh, nm Chiết suất
p

Xung lượng của photon (kg.m/s)

iv


Véc tơ tọa độ không gian
T
w, w0

Thời gian (t)
Bán kính vết chùm tia và thắt chùm (m)

z0

Độ dài Rayleigh (m)

Λ

Bước sóng sóng âm (m)

α

Tiết diện tán xạ (m.s)

Ω

Tần số góc(rad/s)

Λ

Bước sóng laser (m)

ℏ

Hằng số Plank (Js)

φx , φ y

Pha ban đầu của hai sóng theo chiều x,y

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình vẽ
Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản
xạ
Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí
hạt tương đối với tiêu điểm.
Hình 1.3 Lực gradient của chùm
Gauss.
Hình 1.4. Chùm Gauss bẫy hạt
Hình 1.5 Cấu hình tối thiểu của bẫy
quang học
Hình 1.6. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy

quang học
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOT
Hình 1.8 Kìm quang học AOD
Hình 1.9 Kìm quang học sử dụng bộ
quét tia Galvo
Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOT
Hình 1.11 Kìm quang học phi tuyến
ứng dụng điều khiển 3D
Hình 1.12. Sự phụ thuộc của vị trí cân
bằng dọc trục vào công suất laser
Hình 2.1. Phân bố chiết suất VLQA
Hình 2.2 Khúc xạ Bragg của tạo bởi
sóng âm trong môi trường quang-âm
Hình 2.3 Cấu tạo của bộ biến điệu
quang - âm bằng hai sóng âm
nhìn từ trên xuống theo trục z
Hình 2.4 Phân bố chiết suất của tinh
thể Ge33As12Se33 trong mặt phẳng
(X,Y)

Hình vẽ
Hình 2.5 :Phân bố chiết suất trong diện
tích Λ × Λ
Hình 2.6 :M ô hình mảng kìm quang học
sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng
quang – âm
Hình 2.7 Mảng kìm quang học trong chất
lưu chứa vi hạt
Hình 2.8. Cấu hình kìm quang học sử
dụng một vi thấu kính

Hình 2.9 Phân bố cường độ trong đĩa
Airy
Hình 2.10 Phân bố cường độ laser trên
tiêu diện (z=f)
Hình 2.11 Phân bố quang lực dọc trên
mặt phẳng pha (z,ρ)
Hình 2.12 Phân bố quang lực ngang trên
mặt phẳng pha (ρ,z)
Hình 3.1 Mảng các vi thấu kính gắn nhãn
Tij
Hình 3.2 Vị trí của vi hạt bẫy trong
không gian chất lưu
Hình 3.3. Thay đổi tọa độ vi hạt (x, y,z)
khi thay đổi pha ban đầu ϕ = −0.2π ÷ 0
Hình 3.4 Quỹ đạo các vi hạt điều khiển
bởi kìm đơn không nằm trên đường chéo
Hình 3.5 Phụ thuộc của tọa độ vi hạt vào
tần số sóng âm.
Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động của vi
hạt bẫy bởi kìm đơn T11
Hình 3.7 Quỹ đạo của vi hạt bẫy và điều
khiển bởi các kìm đơn Tij
Hình 3.8 Quỹ đạo của các vi hạt khi thay
đổi tần số từ 400MHz xuống 200MHz.
Hình 3.9 Sự phụ thuộc của quãng đường
dịch chuyển của vi hạt bẫy bởi một đơn
kìm vào tần số

vi

1. Lý do chọn đề
tài

MỞ ĐẦU

Năm 1970, Ashkin ( Nobel 2018 )[1] đã khẳng định một chùm laser hội tụ mạnh
có thể giữ được các vi hạt tại tiêu điểm nhờ quang lực - áp lực của photon ánh sáng
tác động lên bề mặt vi hạt. Một thiết bị gồm một laser và một kính hiển vi sử dụng
để giữ vi hạt tại tiêu điểm chùm laser gọi là bẫy quang học. Nếu bẫy quang học
được thiết kế cùng với một hệ điện-cơ sao cho có thể thay đổi vị trí của tiêu điểm
chùm tia laser trong không gian thì được gọi là kìm quang học. Cho đến nay kìm
quang học trở thành công cụ hiệu dụng giữ và điều khiển các vi hạt như các vi cầu
điện môi, nguyên tử, tế bào sống,... [1,2]. Xét tổng quát, các vi hạt được giữ tại một
vị trí nào đó trong mặt phẳng mẫu và sau đó được điều khiển để nó dịch chuyển trên
mặt phẳng mẫu phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu, tức là vị trí của vi hạt có thể
được điều khiển trong không gian hai chiều (2D) [3,4], nhưng trong nhiều trường
hợp các vi hạt cần phải được điều khiển trong không gian ba chiều (3D) [5,6]. Ví
dụ, các tế bào cần phải bảo vệ trong dung môi có độ dày nhất định, khi đó không thể
điều khiển chúng đơn thuần trong không gian 2D (mặt phẳng mẫu) mà phải điều
khiển trong không gian 3D (trong chất lưu có độ dày nhất định). Khi sử dụng các
kìm đơn chùm (chỉ sử dụng một chùm laser), các vi hạt có thể được điều khiển bằng
phương pháp điện-cơ nhờ thay đổi hệ quang một cách tinh tế [5,6], trong khi đó,
nếu sử dụng kìm quang học phi tuyến thì có thể điều khiển nhờ thay đổi tinh tế
cường độ của một hoặc đồng thời hai chùm laser [7]. Tất cả các phương pháp trên
đều phải thay đổi ít nhất hai yếu tố trong quá trình điều khiển vi hạt trong không
gian 3D. Mới đây, các tác giả Hồ Quang Quý và Nguyễn Văn Thịnh [8,9] đã đề
xuất và nghiên cứu thành công mảng kìm quang học quang-âm. Các tác giả đã sử
dụng môi trường quang-âm được biến điệu ngang bằng nguồn sóng âm, tạo ra mảng
các vi thấu kính và các vi thấu kính đó có thể hội tụ chùm laser thành mạng tiêu

điểm khác nhau. Mỗi vi thấu kính được xem là một kìm quang học đơn và có thể
điều khiển trong không gian 2D bằng cách thay đổi pha ban đầu và tần số sóng âm.
Tiêu cự của mỗi vi thấu kính có thể thay đổi khi thay đổi cường độ và tần số sóng
âm. Ngoài ra, trong công trình của mình, các tác giả đã chỉ ra, có sự liên hệ giữa tần
số, cường độ sóng âm và tiêu cự vi thấu kính. Sự liên hệ này gợi cho chúng ta ý
tưởng điều khiển vi hạt trong không gian 3D bởi 1một yếu tố hoặc tần số hoặc
1


cường độ sóng âm. Nội dung đề xuất và hiện thực hóa ý tưởng trên được trình bày
trong luận văn có tựa đề: “Điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều bằng
kìm quang-âm.”
2. Mục đích nghiên
cứu
Khẳng định sử dụng kìm quang-âm có thể điều khiển vi hạt trong không gian
bằng cách thay đổi tinh tế các tham số sóng âm.
3. Nội dung nghiên
cứu
Tổng quan về kìm quang học và phương pháp điều khiển vi hạt, tập trung nghiên
cứu cấu hình, lý thuyết cơ bản của kìm quang-âm và các phương pháp điều khiển vi
hạt bằng kìm quang-âm, cụ thể thay đổi pha ban đầu và tần số sóng âm.
4. Cấu trúc luận
văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính luận văn được cấu trúc trong ba
chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về kìm quang học và các phương pháp điều khiển liên
quan.
Chương 2: Cấu hình kìm quang học quang-âm và các đặc trưng cơ bản.
Chương 3: Phương pháp điều khiển vi hạt trong không gian.

Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN
1.1 Quang lực
Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin lần đầu tiên khẳng
định có thể sử dụng áp suất bức xạ vùng ánh sáng để tăng tốc và giam giữ các hạt
[1]. Xét trong vùng quang học, một phôtôn luôn có xung lượng:
p = ℏk

(1.1)

trong đó, ℏ = h / 2π ≈ 1.05475 ×10−34 J .s /

là hằng số Planck, k là véc tơ sóng với

rad

số sóng k = 2π / λ . Giả sử rằng một chùm ánh sáng đơn sắc tuyệt đối gồm nhiều
phô tôn có xung lượng như nhau chiếu vào một vi cầu, khi đó, một số phản xạ trên
mặt, số còn lại sẽ khúc xạ hai lần giữa môi trường ngoài và vi cầu (Hình 1.1).

a

b

Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu vào
vi hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (nh>nm).


a

b

c
Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí hạt tương đối với tiêu điểm.


Qua các quá trình đó, xung lượng của phô tôn bị thay đổi, lượng thay đổi đó
sẽ truyền cho vi hạt [1]:
∆p = pin − pout = Ph

(1.2)

Sau khi nhận được xung lượng từ phô tôn, vi hạt có xung lượng Ph . Như
vậy, vi hạt sẽ nhận được xung lượng từ hai quá trình trên.
Theo định luật 2 Newton, nếu vi hạt nhận được xung lượng đó trong thời
gian ∆t thì nó chịu một quang lực F = P /

do đó, vi hạt trong Hình 1.1 sẽ bị tác

∆t

động bởi hai lực, tán xạ (phản xạ trên vật có kích thước nhỏ hơn bước sóng laser) và
khúc xạ xác định như sau:
px

F

px

P
P
kx
kx
= h ,F
∆t
= h
∆t

(1.3)

Kết quả vi cầu sẽ chuyển động theo hướng lực tổng hợp. Nếu vi hạt được
chiếu bởi một laser hội tụ, khi đó hướng lực do khúc xạ tác động lên vi hạt được sẽ
thay đổi phụ thuộc vào vị trí của tâm hạt tương ứng với tiêu điểm như trên Hình 1.2.

N ∆P
F∼
∆t

(1.4)

trong đó, N là số photon tác động lên vi hạt. Trong cả ba trường hợp, lực
tổng hợp

FT

a

b

= F + F đều có hướng từ tâm hạt tới tiêu điểm. Điều này có nghĩa là vi

hạt luôn luôn bị kéo vào tiêu điểm của một chùm laser, nếu tiêu điểm nằm trong
không gian chiếm giữ của vi hạt. Trong trường hợp tiêu điểm không nằm trong
không gian chiếm giữ của vi hạt, nhưng vi hạt vẫn bị chiếu bởi chùm laser thì quang
lực vẫn tác động lên nó, tuy hướng lực tổng động phụ thuộc vào cường độ lực thành
phần. Hướng nào cường độ laser lớn, tức là mật độ phô tôn lớn, quang lực tác động
lên vi hạt sẽ lớn. Tổng hợp lực của chùm tia có phân bố gradient cường độ gọi là
lực gradient (Hình 1.3).


Hình 1.3 Lực gradient của chùm Gauss.
Dựa vào hướng tương tác của các lực tác động lên vi hạt của các tia laser thành
phần trong chùm laser đã trình bày trên, có thể khẳng định một chùm laser hội tụ
mạnh có thể giam giữ vi hạt tại tiêu điểm. Hay nói cách khác, một chùm tia có
cường độ phân bố không gian theo hàm Gauss, hay gọi là chùm Gauss có thể bẫy vi
hạt có tỉ số chiết suất m = nh / nm > 1 so với chiết suất môi trường xung quanh tại
tâm
thắt chùm, trường hợp ngược lại, một chùm laser hollow-Gauss có thể giữ vi hạt có
tỉ số chiết suất m = nh / mn

tại tâm (Hình 1.4) [10]. Như vậy, một chùm laser có

<1

gradient cường độ trong không gian sẽ tác động lên vi hạt hai lực, lực tán xạ hình
thành do hiện tượng tán xạ tia sáng trên mặt vi hạt (trong trường hợp kích đường
kính vi hạt lớn hơn bước sóng laser thì gọi là lực phản xạ) đẩy vi hạt chuyển động
theo chiều truyền lan của laser và lực gradient hình thành do biến đổi cường độ ánh
sáng trong không gian kéo vi hạt vào vùng có cường độ cao [10]. Độ lớn của các

lực này phụ thuộc vào cấu hình chùm tia, thông số của vi hạt và môi trường. Dựa
vào tương quan giữa bước sóng laser (λ) và bán kính của vi hạt (a), quang lực được
xét trong các chế độ khác nhau. Quang lực được xét trong chế độ quang hình nếu
a > λ , Mie nếu a ∼ hay Rayleigh nếu a < với những sai số khác nhau. Trong chế
λ
λ

độ Rayleigh, lực gradient dọc Fgrad và
, z ngang F

grad , ρ

tác động lên vi hạt được xác

định như sau [1]:
F

= σ∇ I ; F

= σ∇ I

(1.5)


grad , z

z

grad , ρ

ρ


trong đó, I là cường độ laser, σ = 4π nm2
ε

2

m
là hệ số phân cực của vi cầu, z
3 −1
0a
2
m +2

là tọa độ dọc trục chùm tia laser, ρ là tọa độ hướng tâm trên mặt cắt ngang của
chùm tia laser.

a

b

Hình 1.4. a: Chùm Gauss bẫy hạt với m>1; b: Chùm hollowGauss bẫy hạt với m<1
Lực tán xạ tác động lên vi cầu được xác định như sau:
(1.6)

Fscat = β I
2

trong

đó β
=

128π 5mn a 6  m 2
là hệ số tán xạ.
 3  m 2 +
−13cλ
2



1.2 Bẫy quang học
Trên cơ sở các quang lực tác động lên vi hạt nhúng trong môi trường, cấu hình
đơn giản nhất của bẫy quang học được trình bày như trên Hình 1.5 cho vi hạt có


chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (m>1). Một chùm laser mode TEM00 được
hội tụ mạnh bởi một vi thấu kính có khẩu độ số (NA) cao. Khẩu độ số càng cao thì


gradient cường độ sẽ lớn và cường độ mạnh nhất sẽ tập trung ở tiêu điểm và như
vậy các lực gradient sẽ lớn. Việc chọn khẩu độ số cao cũng tương thích với tiêu cự
của vi thấu kính sao cho tiêu điểm nằm trong môi trường chất lưu, trong đó có chứa
vi hạt cần bẫy. Trong thực nghiệm nghiên cứu y, sinh học, thông thường chất lưu là
một lớp mỏng, có độ dày tương đương đường kính vi hạt. Từ công thức (1.5) và
(1.6), chúng ta thấy lực tán xạ nhỏ hơn nhiều so với lực gradient, do đó vi hạt luôn
có xu thế được kéo vào tâm thắt chùm, hay kéo vào tâm bẫy. Do các lực gradient
đối xứng tâm, qua tâm kìm, nên vi hạt sẽ bị giam tại tâm.

Hình 1.5 Cấu hình tối thiểu của bẫy quang học

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, lực gradient nhỏ do chùm tia hội tụ yếu
do sử dụng vi thấu kính có khẩu độ số thấp (NA nhỏ), thì vi hạt sẽ bị đẩy theo chiều
truyền lan của chùm laser và bị giam tại vị trí khi mà lực gradient dọc cân bằng với
lực tán xạ. Trong thực tế, để loại trừ hiện tượng này, cấu hình bẫy quang học sử
dụng hai chùm tia truyền lan ngược chiều đã được áp dụng [11].
Để ứng dụng trong nghiên cứu, mẫu tối thiểu trong Hình 1.5 được bổ sung
thêm các chi tiết phụ: Thiết bị dò vi hạt ban đầu; Hệ mở rộng chùm tia, tăng khẩu
độ số; Camera theo dõi quá trình dao động của vi hạt tại tâm kìm; Nguồn ánh sáng
phụ (LED) soi vi hạt hoặc kích thích huỳnh quang của vi hạt. Cấu hình đầy đủ của
kìm quang học trong thực nghiệm được thiết kế như trong Hình 1.6.


Hình 1.6. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học
sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm.
1.3 Kìm quang học (KQH)
1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder
Với cấu hình như trong Hình 1.6, chúng ta thấy bẫy quang học chỉ có một chức
năng duy nhất là giam giữ vi hạt tại tâm bẫy, phục vụ cho mục đích khảo sát tĩnh
đối tượng cần nghiên cứu. Trong trường hợp khảo sát động, cần di chuyển vi hạt
đến một vị trí khác trong không gian chất lưu thì cấu Hình 1.6 không thể sử dụng,
do đó cấu hình linh động hơn được thiết kế và khái niệm kìm quang học ra đời. Đến
nay đã có một số mẫu kìm quang học khác nhau được đặt tên dựa vào phương pháp
điều khiển vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học điều khiển một chiều (1D) sử
dụng hiệu ứng giao thoa được McDonald và cộng sự đề xuất vào năm 2011. Chùm
tia laser TEM00 trước khi đưa vào hệ vi thấu kính được chia thành hai chùm con nhờ
bộ chia kiểu giao thoa kế Mach-Zehnder (Hình 1.7).


Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOT
G-gương phản xạ 100%, L1, L2, L3 - thấu kính, BC - bản chia tia, GQ gương lái tia,MZI-giao thoa kế Mach-Zehnder, GD-gương tinh chỉnh hiệu

quang trình, VTK - vi thấu kính, BM- buồng chứa mẫu.
Hai chùm tia này sẽ giao thoa với nhau trên tiêu diện của hệ vi thấu kính (VTK),
tạo ra các vệt tối và sáng xen kẽ nhau trong buồng mẫu (BM). Các vi hạt ứng với
m>1nằm trên tiêu diện sẽ được giam ở vị trí có cường độ mạnh nhất của vệt sáng,
còn các vi hạt ứng với m<1 sẽ được giam ở vị trí có cường độ yếu nhất của vệt tối
(hình nhỏ trong hình 1.7). Bằng cách thay đổi hiệu quang trình trong hai nhánh của
giao thoa kế, độ lớn và số lượng vệt sáng sẽ thay đổi. Như trên cấu hình hình 1.7,
hai chùm sáng được lái vào hệ vi thấu kính dưới các góc nhờ gương quay (GQ), do
đó các vệt sáng, tối sẽ dịch theo chiều vuông góc với vệt, khi đó các vi hạt được
giam giữ bởi các vệt đó sẽ dịch theo. IOT có thể điều khiển hai loại vi hạt theo một
chiều trong không gian (điều khiển 1D) nhờ gương quay điều khiển nhờ động cơ
điện (động cơ bước tinh).
1.3.2. KQH theo nguyên lý khúc xạ quang- âm
Dựa trên nguyên lý quét tia cơ học, kìm quang học điều khiển vi hạt 1D bằng
thiết bị quang-âm đã được chế tạo. Khi sóng âm truyền qua lớp môi trường quangâm mỏng thì nó trở thành cách tử Bragg. Ánh sáng qua lớp môi trường này sẽ khúc
xạ ở các góc Bragg khác nhau, phụ thuộc vào tần số sóng âm. Như vậy, chùm tia
laser khúc xạ sẽ được hệ vi thấu kính hội tụ vào các điểm khác nhau theo trục song
song với trục truyền lan của sóng âm.

10


Hình 1.8 Kìm quang học AOD [11]
Năm 2014, Tạp chí Networking for Better Heaalth Care đã công bố kìm quang
học sử dụng thiết bị lái tia dựa trên hiệu ứng quang- âm (acousto-optical deflectorAOD). Sơ đồ nguyên lý của thiết bị được trình bày trên hình 1.8 [11].
1.3.3. KQH kết hợp nguyên lý quang-âm và quay Galvo
Theo nguyên lý quét tia, thay vì một gương quay, Neuman và cộng sự đã đề xuất
sử dụng hai gương quay theo hai chiều vuông góc với nhau nhờ hệ Galvo để thiết
kế kìm quang học điều khiển vi hạt trong không gian 2D (Hình 1.9).

Hình 1.9 Kìm quang học sử dụng bộ quét tia Galvo [11].
Trước khi truyền qua hệ vi thấu kính, chùm laser đi qua hai gương quay gắn với hệ
Galvo. Nhờ hệ Galvo mà hướng chùm tia laser sẽ thay đổi so với trục quang của hệ
vi thấu kính và do đó, vị trí tiêu điểm của chùm tia được điều khiển trên tiêu diện
(MPT). Bằng tín hiệu cơ hoặc điện, góc quay của hai gương trong hệ Galvo được
điều khiển, tiêu điểm của chùm laser quét dò tìm vi hạt trên mặt mẫu (MM). Sau khi

11


đã bẫy được vi hạt, cũng bằng nhờ hệ Galvo, mà vi hạt bẫy được điều khiển đến vị
trí mong muốn.
1.3.4. KQH theo nguyên lý kết hợp thông minh
Tuy nhiên, sử dụng phương pháp quét tia chỉ có thể điều khiển vi hạt trong không
gian 2D ứng dụng cho việc khảo sát đối tượng trên mặt mẫu song song với tiết diện
ngang của chùm laser. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để có thể điều khiển vi hạt
được nhúng sâu trong chất lưu dọc trục chùm tia? Nhằm thỏa mãn yêu cầu này,
Tanaka và cộng sự đã kết hợp giữa hệ Galvo và hệ Telescope mở rộng chùm tia
được điều khiển bởi máy tính. Cấu hình kìm quang học điều khiển thông minh
(ICOT) ra đời. Cấu tạo của ICOT được trình bày trên hình 1.10. Khác với kìm
quang học điều khiển 2D, trong cấu hình này, một hệ telescope gồm ba thấu kính
L1, L2 và L3 đặt trên đường truyền của chùm laser. Nhờ máy tính, khoảng cách giữa
L1 và L2 thay đổi, tức là thay đổi tiêu cự chung của hệ thấu kính L1và L2. Nhờ đó,
tiêu điểm trước L3 dịch chuyển trên trục chùm tia, kết quả vết hội tụ của chùm tia
sau hệ vi thấu kính cũng thay đổi theo. Như vậy, kết hợp với máy tính, vi hạt được
điều khiển trong không gian 3D bằng ICOT.

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOT [6]
Tuy nhiên, trong thực tế, Tanaka và cộng sự chỉ có thể điều khiển các vi hạt
dịch chuyển theo trục laser một khoảng nhỏ hơn đường kính của vi hạt, do đó, có

thể nói ICOT chỉ có thể điều khiển vi hạt trong không gian 2,5D. Hạn chế trong
điều khiển theo chiều dọc trục laser ở đây chính là do khẩu độ số của hệ vi thấu
12


kính xác định không thay đổi. Như vậy, muốn điều khiển vi hạt dọc trục cần phải
thay đổi vị trí của hệ vi thấu kính dọc trục. Cho đến lúc này, một kỹ thuật để dịch
chuyển hệ vi thấu kính như thế chưa được đề xuất, thay vào đó, các chuyên gia
công nghệ tập trung vào điều khiển vị trí của mặt mẫu chứa vi hạt theo chiều dọc
trục và điều khiển vị trí vết laser (nguồn laser) bằng công nghệ gốm áp điện. Như
vậy, bằng phương pháp điều khiển điện-cơ có sự hỗ trợ của máy tính, vết hội tụ của
chùm laser, tức là tâm bẫy được quét trong không gian một chiều, hai chiều hoặc ba
chiều, nhờ đó, các hạt bị bẫy cũng sẽ được điều khiển theo trong không gian đó.
Tuy nhiên, khó khăn trong việc điều khiển vi hạt dọc trục cũng có thể vượt qua
sau khi sử dụng các hiệu ứng phi tuyến vào trong cấu hình kìm quang học và
phương pháp toàn quang trong quá trình điều khiển vi hạt sẽ xuất hiện.
1.3.5 KQH phi tuyến
Phát hiện sử dụng hiệu ứng Kerr để nâng cao hiệu suất bẫy và thay đổi tiêu cự
chùm laser do hiệu ứng tự hội tụ trong công trình [12] của Hoàng Văn Nam đã được
tác giả Thái Đình Trung cùng cộng sự thiết kế kìm quang học phi tuyến (Hình 1.11)
ứng dụng điều khiển vi hạt trục dọc bằng cách tinh chỉnh công suất laser trong quá
trình kéo căng phân tử ADN [7, 13]. Trong cấu hình kìm quang học phi tuyến (Hình
1.11), ngoài nguồn laser yếu sử dụng như trong kìm quang học tuyến tính với mục
đích bẫy và kéo căng phân tử ADN trong tiết diện ngang của chùm tia, còn có
nguồn laser mạnh sử dụng tạo ra hiện tượng tự hội tụ trong chất lưu với mục đích
điều khiển vi hạt theo trục dọc. Trong công trình của mình, các tác giả đã khẳng
định lại hiện tượng phân bố lại cường độ laser và quang lực dọc trong không gian
pha (z,ρ) với công suất laser khác nhau (Hình 1.12).

13

Hình 1.11 Kìm quang học phi tuyến ứng dụng điều khiển 3D [7, 13].

Hình 1.12. Sự phụ thuộc của vị trí cân bằng dọc trục vào công suất laser [7].
Đồng thời, dựa vào các thông số thiết kế, các tác giả đã khảo sát cụ thể về sự phụ
thuộc của điểm ổn định vi hạt trên trục dọc khi tinh chỉnh công suất laser cho một
mẫu kìm quang học với các thông số xác định (Hình 1.12).

14