Luận án Mảng kìm quang học biến điệu quang - Âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THỊNH MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ VINH, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THỊNH MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HỒ QUANG QUÝ VINH, 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Hồ Quang Quý. Các kết quả trong luận án là trung thực chưa có trong các luận án khác và tôi đã công bố trên 06 tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thịnh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến PGS. TS. Hồ Quang Quý, người Thầy đã hướng dẫn tận tình và động viên bản thân tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án 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 án. Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến quí Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý và Công nghệ Trường Đại học Vinh đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Vinh. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bạc Liêu và Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho bản thân tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu trong những năm qua. 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 án. iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN .... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 6 3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 7 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 7 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 7 6. Bố cục của luận án .......................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC ...................................................................... 9 1.1. Quang lực .................................................................................................... 9 1.2. Phân bố quang lực trong không gian......................................................... 17 1.3. Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của kìm quang học .................. 22 1.4. Mảng kìm quang học ................................................................................. 24 Kết luận chương 1 ............................................................................................. 36 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MẢNG VI THẤU KÍNH BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ..................................................................................................... 38 2.1. Phân bố chiết suất của môi trường biến điệu quang - âm một chiều ........ 38 2.2. Mô hình biến điệu quang - âm hai chiều ................................................... 43 2.3. Phân bố chiết suất của môi trường biến điệu quang - âm hai chiều ......... 44 2.4. Khảo sát phân bố chiết suất 2D trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 ....... 47 2.5. Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm ..................................................... 51 2.6. Tính tiêu cự của vi thấu kính ..................................................................... 57 Kết luận chương 2 ............................................................................................. 71 iv CHƯƠNG 3. ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ............................................................................... 72 3.1. Đề xuất mô hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm ................................................................................. 72 3.2. Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính ...................................................... 75 3.3. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính ................................... 81 3.4. Quang lực gradient dọc và ngang .............................................................. 87 3.5. Khảo sát phân bố quang lực tác động lên vi hạt nhúng trong chất lưu ......... 90 Kết luận chương 3 ............................................................................................. 93 CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ..................................................... 94 4.1. Nguyên lý sàng 2D .................................................................................... 94 4.2. Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm cho sàng 2D ................................ 101 4.3. Nguyên lý sàng 3D .................................................................................. 105 4.4. Điều kiện công suất laser ........................................................................ 107 4.5. Đặc trưng công suất laser - tần số ........................................................... 110 Kết luận chương 4 ........................................................................................... 115 KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................... 116 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ......... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 120 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Viết tắt Giải thích nghĩa DOT Diffractive Optics Tweezers Mảng kìm quang học sử dụng khe nhiễu xạ. DOA Diffractive Optical Arrays Mảng nhiễu xạ quang. ICOT Intelligently Control Optical Tweezers Mảng kìm quang học thông minh. T3S Time - Sharing Synchronized Scanning Thời gian quét đồng bộ. MSOT Multiple Microlens Optical Tweezers Mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính. AOD Acousto - Optical Deflector Linh kiện phản xạ quang - âm. GRIN Graded Refractive Index Chiêt suất thay đổi liên tục. BQS Beam Quickly Scanning Hệ quét nhanh chùm tia. NA Numerical Aperture Khẩu độ số. EOE Elasto- Optical Effect Hiệu ứng quang giảo. AET Acousto- Electric Transducer Bộ chuyển đổi điện - âm. IOT Interferometric Optical Trap Mảng kìm giao thoa quang. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa, đơn vị A Diện tích khẩu độ thấu kính (m2) B Cường độ tự cảm (T) D Đường kính mở thấu kính (m) Dm Kích thước mạng (m) E Cường độ điện trường (V/m) F , gradF , txF Quang lực; Lực gradient; Lực tán xạ (N) Fs Tần số sóng âm (Hz) I, I0 Cường độ laser (W/m 2 ) Is Cường độ sóng âm (W/m 2 ) M Hằng số đáp ứng (m2/W) N Số photon NA Khẩu độ số P, P0 Công suất (W) S0 Biên độ sóng âm (V/m) Vs Vận tốc sóng âm (m/s) A Bán kính vi hạt (m) 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) G Khối lượng riêng (kg/m3) vii K Số sóng (1/m) ik Véc tơ sóng M Tỉ số chiết suất n, nh, nm Chiết suất p Xung lượng của photon (kg.m/s) r Véc tơ tọa độ không gian T Thời gian (t) w, w0 Bán kính vết chùm tia và thắt chùm (m) z0 Độ dài Rayleigh (m) Λ Bước sóng sóng âm (m) σik Tenxer của lực căng  Hệ số phân cực (m 2 .s) αi Hệ số suy giảm (1/m)  Tiết diện tán xạ (m.s) Ω Tần số góc(rad/s)  Độ rộng xung (s)  Độ nhớt của môi trường (m 2 /s)  Độ cảm phi tuyến (C.m/V3)  Hằng số quang giảo Λ Bước sóng laser (m) Hằng số Plank (Js) φx , φy Pha ban đầu của hai sóng theo chiều x,y ∆p Độ biến thiên xung lượng (N/m 2 ) ∆t Độ biến thiên thời gian (s) n0 Biên độ chiết suất Ρ Bán kính hướng tâm (m) ρ0 Bán kính vết chùm tia (m) viii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mô tả quá trình photon truyền xung lượng cho vi hạt khi phản xạ trên mặt ngoài. ............................................................... 10 Hình 1.2 Mô tả quá trình tia khúc xạ truyền xung lượng cho vi hạt. ......... 11 Hình 1.3 Biễu diễn quang lực gradient, a) dọc, b) ngang. ......................... 12 Hình 1.4 Lưỡng cực điểm với các đường sức [5]. ..................................... 13 Hình 1.5 Các lực tác động lên các vi hạt điện môi nằm trong chùm laser phân bố dạng Gaussian [2]. ................................................. 16 Hình 1.6 Các lực tác động lên vi hạt nằm trong chùm tia dạng Hollow-Gaussian [2]. .................................................................. 17 Hình 1.7 Chùm laser TEM00 phát ra từ buồng cộng hưởng phẳng [2]. ...... 17 Hình 1.8 a) Phân bố cường độ trong vết chùm tia (x( 0 ),y( 0 )) [2]; b) Phân bố quang lực gradient ngang trong vết chùm tia [2]. ..... 18 Hình 1.9 Mẫu dao động tương đương của kìm quang học [72]. ................ 19 Hình 1.10 a) Phân bố quang lực dọc trên trục chùm tia [2]; b) dọc tia cách trục một khoảng =2W0 [2]. ............................... 22 Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết cấu tạo kìm quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm [43]. ...................................................... 23 Hình 1.12 Kìm quang học array sử dụng linh kiện BQS [19]. ..................... 24 Hình 1.13 Cấu hình quang tạo mảng kìm N N bằng mảng nhiễu xạ [74]. ...... 26 Hình 1.14 Mảng kìm 4 4 tạo bởi hệ quang nhiễu xạ và các hạt thủy tinh được bẫy (a); Mảng các thủy tinh được bẫy sau 1/3s (b); Các hạt thủy tinh được bẫy sau 3,1s (c) và Quỹ đạo chuyển động của các hạt thủy tinh sau khi tắt laser (d). .......................... 26 Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý của kìm IOT [59]. G-gương, L1, L2, L3- thấu kính, BCT - bản chia tia, QPC - kính quay phân cực, GQ - gương quay, VTK - vi thấu kính. ....................................... 27 ix Hình 1.16 Hai chùm tia giao thoa tại tiêu diện vi thấu kính (a) và vân giao thoa trên mặt phẳng mẫu (b). ............................................... 28 Hình 1.17 Quá trình quét vi cầu chiết suất nhỏ [59]. a), b) dịch chuyển từ phải sáng trái. b), c) dịch chuyển từ trên xuống dưới. c) - e) quét sáng phải sau đó sáng trái ......................................... 29 Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo của mảng kìm 2,5D ICOT [85]. ............................ 31 Hình 1.19 Mảng kìm và mảng các vi cầu được bẫy [85]. ........................... 32 Hình 1.20 Quá trình tạo mảng trụ SU-8 bằng chùm proton và ăn mòn hóa học [20]. a) Khắc bằng chùm proton, b) Ăn mòn hóa học, c) Nhiệt nóng chảy. ...................................................................... 33 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của MSOT [20]. .............................. 34 Hình 1.22 a) Mảng kìm sử dụng AOD biến điệu quang - âm, b) Vết quét của AOD [27]. .......................................................... 35 Hình 2.1 Khối môi trường quang - âm biến điệu bởi một nguồn sóng âm (NSA) theo một chiều X. ....................................................... 38 Hình 2.2 a) Phân bố chiết suất của môi trường quang - âm theo trục x (Λ); b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y). ................................................... 41 Hình 2.3 a) Ống dẫn sóng GRIN b) Thấu kính GRIN ............................... 42 Hình 2.4 a) Phân bố chiết suất theo trục x trong khoảng một bước sóng âm Λ ; b) Mô tả vết hội tụ ánh sáng do thấu kính trụ. ........ 42 Hình 2.5 Mô tả quá trình hội tụ qua hai thấu kính trụ vuông góc với nhau của chùm ánh sáng. ............................................................. 43 Hình 2.6 Cấu tạo của bộ biến điệu quang - âm bằng hai sóng âm nhìn từ trên xuống theo trục z. ............................................................. 44 Hình 2.7 Phân bố chiết suất của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 trong mặt phẳng (X,Y) với 4 2I 1,0.10 W /s m , (a), 7 2I 3,0.10 W /s m , (b) và 7 2I 8,0.10 W /s m , (c); d) Sự hình thành mảng chiết suất - vùng chiết suất giống nhau trên mặt phẳng (X,Y). ................................................................................ 48 x Hình 2.8 a) Phân bố chiết suất trong diện tích , b) Đường đẳng chiết trong diện tích  ( 0  ),.................. 50 c) Đường đẳng chiết trong diện tích  ( / 2   ), ............. 50 b) Đường đẳng chiết trong diện tích  ( 3 / 2   ). .......... 50 Hình 2.9 Khối GRIN của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang - âm ................................................................................... 51 Hình 2.10 Phân bố chiết suất cực tiểu (đỏ) và cực đại (xanh) trong hai mặt phẳng khác nhau xoay quanh trục của khối GRIN. ............. 52 Hình 2.11 Mô hình tương đương thấu kính của khối GRIN ........................ 54 a) Quang trình của tia sáng qua khối GRIN n(x,y;) .................... 54 b) Quang trình của tia sáng qua khối chiết suất không đổi n chiều dày d và thấu kính chiết suất không đổi n mặt cong d’(x,y). ......................................................................................... 54 Hình 2.12 Phân bố d’ (x[Λ],y[Λ]) tương đương thấu kính của khối thành phần trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang - âm ........................................................................... 55 Hình 2.13 Mặt cắt chóp cầu nd’(x,y). ........................................................... 55 Hình 2.14 Hệ tọa độ của khối GRIN thứ nhất theo hệ tọa độ của môi trường. .... 60 Hình 2.15 Phân bố chiết suất theo biến x’. ................................................... 61 Hình 2.16 Phân bố chiết suất gần đúng theo biến x’ .................................... 62 Hình 2.17 So sánh phân bố chiết suất mô tả theo hai phương trình (2.20) - đường chấm chấm và (2.24) - đường liền nét. ............... 63 Hình 2.18 Cấu hình vi thấu kính biến điệu quang - âm bởi hai sóng siêu âm vuông góc với nhau: a) hình chiếu theo trục z, b) hình chiếu theo trục x (y)............................................................. 68 Hình 2.19 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với tần số sóng âm khác nhau; .................................................... 69 Hình 2.20 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với cường độ sóng âm thay đổi ................................................... 70 xi Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang - âm................................................... 73 Hình 3.2 Mảng kìm quang học trong chất lưu chứa vi hạt (tương đương với cấu hình sử dụng thấu kính chế tạo sẵn [20]) ....................... 74 Hình 3.3 Phụ thuộc của NA vào độ dày tinh thể Ge33As12Se33 .................. 77 Hình 3.4 Phụ thuộc của NA vào FS và Is .................................................... 78 Hình 3.5 Phụ thuộc của khẩu độ số vào độ dày tinh thể GaAs ................. 79 Hình 3.6 Phụ thuộc của NA vào FS và Is .................................................... 80 Hình 3.7 Cấu hình kìm quang học sử dụng một vi thấu kính. ................... 81 Hình 3.8 Phân bố cường độ trong đĩa Airy [36]. ........................................ 82 Hình 3.9 Phân bố cường độ trên mặt phẳng pha (ρ,z). ............................... 86 Hình 3.10 Phân bố cường độ laser trên tiêu diện (z=f): a) Dạng phân bố, b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y). ................................................... 87 Hình 3.11 Phân bố quang lực dọc trên mặt phẳng pha (z,ρ). ....................... 91 Hình 3.12 Phân bố quang lực ngang trên mặt phăng pha (ρ,z). ................... 92 Hình 4.1 Vị trí tâm các vi thấu kính trong môi trường Ge33As12Se33 được biến điệu bởi sóng âm có bước sóng Λ và pha ban đầu bằng φ=0. ..................................................................................... 95 Hình 4.2 Vị trí của vi thấu kính thứ nhất khi pha ban đầu bằng không ( 0  ).......................................................................................... 96 Hình 4.3 Vị trí của vi thấu kính thứ thất. a) / 4  , b) / 2  .............. 97 Hình 4.4 Vị trí của vi hạt trên mặt phẳng (X,Y) trong quá trình sàng bằng phương pháp thay đổi tần số sóng âm (pha ban đầu 0  ): a) 500sF MHz , b) 350sF MHz và c) 200sF MHz ...... 99 Hình 4.5 Thay đổi tiêu cự vi thấu kính theo tần số sóng âm. ................... 100 Hình 4.6 Các vi hạt dao động trong vùng bẫy của vi thấu kính tĩnh [20] .. 101 Hình 4.7 Đặc trưng cường độ - tần số cho quá trình sàng trên mặt (X,Y) ứng với tiêu cự vi thấu kính 2Df khác nhau. .............................. 103 xii Hình 4.8 Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm khi sàng 2D của mảng kìm quang học biến điệu quang - âm trong các môi trường khác nhau. .................................................................................. 104 Hình 4.9 Lưới sàng 3D của mảng kìm biến điệu quang - âm trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33. .................................................. 106 Hình 4.10 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với các bán kính vi hạt khác nhau cho quang lực dọc 14 , 1.10gr zF N  . .... 111 Hình 4.11 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với các bán kính vi hạt khác nhau cho quang lực ngang 14 , 1.10grF N  . ..................................................................... 112 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thập kỷ sáu mươi của thế kỷ 20, sau khi laser ra đời, Arthur Ashkin cùng các cộng sự đã phát hiện ra rằng, một chùm laser được hội tụ có thể kéo các hạt có chiết suất lớn hơn môi trường xung quanh vào tâm chùm tia Gaussian [11], [12], đồng thời, chúng được giữ và đẩy theo chiều truyền lan của ánh sáng. Ngay sau đó (1970), ông đã thiết kế một hệ quang học để điều khiển hạt trong chất lỏng, chất khí bằng cách cân bằng áp lực bức xạ với lực trọng trường và đã đề xuất cấu hình một hệ quang giữ các vi hạt trong không gian ba chiều bằng hai chùm tia laser truyền lan ngược chiều [11]. Hệ quang này được xem như một “bẫy quang học” và được thiết kế thành công lần đầu tiên vào năm 1986 do Ashkin, Chu và cộng sự. Trong những năm qua khi công nghệ quang phát triển, bẫy quang học trở thành thiết bị hiệu dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu các hạt vi mô, trong đó, có sinh vật, hoá học, vật lý và lý sinh nhằm mục đích giam giữ hay điều khiển các đối tượng nghiên cứu như nguyên tử (phản ứng hóa học) [21], [41],[61], [78], chuỗi ADN (tách các phân tử) [24],[42], [60], tế bào sống (cô lập) [51], [65], [84]. Kìm quang học là một công cụ giam giữ và điều khiển vi hạt, sử dụng lực gradient của một chùm tia có thể được chế tạo bằng cách hội tụ chùm laser thành một vết nhỏ có đường kính trên giới hạn nhiễu xạ nhờ một hệ quang có khẩu độ số NA lớn [4], [52]. 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 và có động năng bé sẽ bị b