VËt lý<br />
<br />
<br />
LỰA CHỌN THAM SỐ CHO MẢNG KÌM QUANG HỌC<br />
TRONG THỦY TINH BIẾN ĐIỆU BẰNG SÓNG ÂM<br />
Nguyễn Văn Thịnh1, Chu Văn Biên2, Bùi Xuân Kiên3, Nguyễn Mạnh Thắng4*<br />
Tóm tắt: Mảng kìm quang học hình thành nhờ các vi thấu kính biến điệu bởi sóng âm<br />
trong các môi trường âm đàn hồi và cụ thể trong tinh thể GaAs đã được nghiên cứu trong<br />
một số công trình gần đây. Các vi thấu kính trong trường âm đàn hồi khác nhau sẽ có tính<br />
chất khác nhau như khẩu độ số, tiêu cự,… khác nhau, do đó, nó sẽ ảnh hưởng đến khả năng<br />
bẫy các vi cầu. Trong công trình này, chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của các tham số<br />
thiết kế như: công suất laser, tần số sóng âm, độ dày thủy tinh và bán kính vi cầu lên điều<br />
kiện bẫy của mảng kìm quang học. Bộ tham số được chọn sẽ định hướng cho quá trình thiết<br />
kế và chế tạo mảng kìm quang học áp dụng cho các vi cầu có kích thước khác nhau.<br />
Từ khóa: Mảng kìm quang học, Biến điệu bằng sóng âm, Môi trường đàn hồi âm, Quang lực.<br />
<br />
1. MỞ ĐẦU<br />
Trong công trình trước đây [1,2,3], chúng tôi đã nghiên cứu áp dụng các môi trường<br />
âm đàn hồi để tạo ra mảng vi thấu kính bằng hai sóng âm và đã chứng minh khả năng bẫy<br />
các vi cầu của nó. Các điều kiện để vi thấu kính có thể được sử dụng để bẫy các vi cầu<br />
cũng đã được dẫn ra và bộ tham số phù hợp đối với tinh thể GaAs đã được tính toán [3].<br />
Trong công trình này chúng tôi sẽ nghiên cứu về bộ tham số của mảng kìm quang học<br />
tạo ra trong thủy tinh nóng chảy nồng độ cao (extra-dense flint glass (EDFG).<br />
<br />
2. CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA VI KÌM QUANG HỌC<br />
Kết quả nghiên cứu trong công trình [4] đã chỉ ra rằng phần lớn các vi cầu sẽ bị bẫy<br />
nếu quang lực tác động lên chúng thay đổi trong khoảng từ 0,01pN đến 100 pN và hệ<br />
quang của kìm quang học có khẩu độ số (numerical aperture-NA) lớn hơn 1,1. Trong công<br />
trình [5] các tác giả đã chỉ ra rằng vi cầu được bẫy khi chúng nằm trong vùng bẫy giới hạn<br />
bởi vòng tròn tại đó quang lực cực đại. Như vậy, quang lực nhỏ nhất cần thiết để bẫy được<br />
các vi cầu chính là quang lực cực đại giới hạn vùng bẫy. Từ các kết quả trên, chúng ta có<br />
thể đưa ra điều kiện của vi kìm quang học bảo đảm giam giữ các vi cầu như sau:<br />
i) NA 1.1 ;<br />
ii) Bán kính vùng bẫy phải lớn hơn bước sóng laser.<br />
iii) Quang lực gradient phải lớn hơn 0,01pN, tức là Fgr , max 0.01 pN [6].<br />
Như đã tính toán trong công trình [4], các điều kiện trên đã được dẫn ra như sau:<br />
Điều kiện thứ nhất :Khẩu độ số,<br />
1 6 M I s d n m Fs . (1)<br />
NA <br />
2V s<br />
trong đó,<br />
M 2 n6 / gVs3 (3)<br />
là độ lớn của hiệu ứng âm đàn hồi, I s là cường độ sóng âm, là hệ số hiện tượng luận<br />
được coi như hằng số âm đàn hồi của EDFG (strain-acoutstic constant), Vs , Fs tương ứng<br />
là vận tốc và tần số sóng âm trong EDFG, g , d tương ứng là khối lượng riêng và độ dày<br />
của EDFG và nm là chiết suất chất lưu sau EDFG.<br />
<br />
<br />
<br />
146 N. V. Thịnh, C.V.Biên,…, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm … bằng sóng âm."<br />
Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br />
<br />
Điều kiện thứ hai: Bán kính vùng bẫy<br />
0.9Vs 0 0.9Vs<br />
Rbay 0 1 (2)<br />
64 MI s /2dFs 64 MI s /2dFs<br />
trong đó, 0 là bán của vòng Airy thứ nhất của vi thấu kính, tương đương với giới hạn<br />
nhiễu xạ Abbe,<br />
Điều kiện thứ ba: Quang lực gradient cực đại<br />
<br />
256 P0 MI s d 2 nm a 3 Fs m2 1 1 14<br />
2 exp 10 ( N ) (3)<br />
3 0.9Vs m 2 2<br />
trong đó, m n p / n0 là tỉ số giữa chiết suất vi cầu và chất lưu, a là bán kính vi cầu,<br />
P0 , tương ứng là công suất trung bình và bước sóng của chùm laser.<br />
Ba điều kiện (1)(3), phụ thuộc vào các tham số của chùm laser, môi trường âm đàn hồi,<br />
sóng âm và vi cầu. Đối với EDFG, độ lớn hiệu ứng đàn hồi M , vận tốc sóng âm Vs luôn<br />
luôn xác định, do đó, chỉ có thể thay đổi độ dày của nó. Đối với sóng âm, hai tham số có thể<br />
thay đổi đó là cường độ I s và tần số Fs . Đối với chùm laser, hai tham số công suất P0 bước<br />
sóng có thể thay đổi, tuy nhiên, thông thường cường độ dễ thay đổi hơn cả. Đối với vi<br />
cầu, phụ thuộc vào bản chất của các chất cần nghiên cứu, do đó, chiết suất và bán kính có thể<br />
thay đổi. Chúng ta sẽ khảo sát và tìm ra bộ tham số sao cho thỏa đồng thời cả ba điều kiện<br />
trên, tức là bộ tham số sao cho mảng kìm quang học có thể bẫy được các vi cầu.<br />
<br />
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Chúng ta giả thiết vi cầu là phân tử polystyrene có bán kính thay đổi từ 0, 01m đến<br />
0, 25m và chiết suất n p 1,57 được nhúng trong nước có chiết nm 1,326 [7]. EDFG<br />
có độ âm đàn hồi M 1.671014 m 2 / W , chiều dày thay đổi từ d 0,1cm đến<br />
d 0,3cm và chiết suất n 1.92 tại bước sóng laser =1,15μm [8,9] được biến điệu bởi<br />
sóng âm có vận tốc Vs 3500m / s [9].<br />
Điều kiện thứ nhất được khảo sát với EDFG có chiều dày d 0, 25cm , được biến<br />
điệu bởi sóng âm có cường độ I s và tần số Fs thay đổi (bước sóng s thay đổi). Sự thay<br />
đổi khẩu độ số theo cường độ và tần số sóng âm trình bày trong hình 1. Từ hình 1a, chúng<br />
ta nhận thấy trong trường hợp giả thiết trên, khấu độ số đạt giá trị 1,1 khi cường độ và tần<br />
số sóng âm được chọn tương ứng với nhau, ví dụ, khi I s 150W / cm 2 thì<br />
Fs 320 MHz . Sự phụ thuộc của khẩu độ số vào tích I s Fs được khảo sát và trình bày<br />
trên hình 1b. Qua đó nhận thấy, khi sử dụng EDFG có chiều dày d = 0.25 cm thì các vi<br />
thấu kính có khẩu độ số sẽ lớn hơn 1,1 nếu bộ tham số sau đây được chọn:<br />
<br />
M 1.671014 m2 / W , d 0.25cm<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
I s Fs 4000 W / cm MHz, Vs 3500m / s<br />
2<br />
(4)<br />
<br />
<br />
<br />
nm 1.326<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 37, 06 - 2015 147<br />
VËt lý<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a) b)<br />
Hình 1. Phụ thuộc của NA vào Is và Fs(a); tích I s Fs (b) và chiều dày d (c).<br />
<br />
Đường thẳng trong hình 1.b chỉ áp dụng cho trường hợp d = 0.25 cm. Do đó, khi thay<br />
đổi chiều dày thì giá trị khẩu độ số cũng thay đổi ứng với bộ tham số khác. Hình 1c cho ta<br />
thấy điều đó. Dựa vào kết quả trên hình 1c, chúng ta cũng có thể lựa chọn được bộ tham số<br />
phù hợp để khẩu độ số NA 1,1 .<br />
<br />
Sử dụng bộ tham số trong (4), chúng ta khảo sát điều kiện giới hạn nhiễu xạ. Sự phụ<br />
thuộc của 0 / vào tích I s Fs được trình bày trên hình 2<br />
I s Fs 4300 W / cm 2 MHz 0 / 1 , (5)<br />
và 0 / tăng khi I s Fs giảm.<br />
Một điều nhận thấy là khi 0 / tăng kéo theo NA giảm (xem hình 2), do đó, để cả<br />
hai điều kiện thỏa mãn thì tích I s Fs phải thỏa mãn hệ bất đẳng thức sau:<br />
4000 I s Fs 4300 . (6)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Phụ thuộc của 0 / (đường vạch) và khẩu độ số (đường liền) vào I S Fs .<br />
Cuối cùng, chúng ta khảo sát điều kiện cho quang lực. Giả thiết cường độ sóng âm<br />
được cố định I s 100W / cm 2 , khi đó, từ điều kiện (6) tần số sóng âm chỉ có thể thay đổi<br />
trong vùng từ 400 MHz đến 430MHz. Khảo sát sự phụ thuộc của quang lực cực đại vào<br />
tần số sóng âm với công suất laser P0 1.10 9 W được trình bày trong hình 3a. Như vậy,<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
148 N. V. Thịnh, C.V.Biên,…, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm … bằng sóng âm."<br />
Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br />
<br />
quang lực thỏa mãn điều kiện Fgr ,max 0.01 pN khi P0 1.10 9 W và Fs 400MHz . Tại<br />
giá trị giới hạn dưới Fgr ,max 0.01 pN (hình 3a), các tham số có thể chọn như sau:<br />
<br />
M 1,671014 m2 / W ; d 0,25cm<br />
<br />
<br />
<br />
Fs 400MHz; Vs 3500m / s ; I s 100W / cm<br />
2<br />
(7)<br />
<br />
9<br />
P0 110 W; a 0,25m; np 1,57; nm 1,326<br />
<br />
<br />
Tuy nhiên, nếu giữa nguyên các tham số của môi trường và sóng âm như trong (7) thì<br />
quang lực cực đại có thể tăng khi tăng công suất laser và tăng bán kính của vi cầu như<br />
trong hình 3b.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a) b)<br />
9<br />
Hình 3. Phụ thuộc của Fgr , max vào Fs với P0 1.10 W (a) và phụ thuộc đồng thời vào<br />
P0 và a với Fs 400MHz (b).<br />
<br />
Từ các điều kiện trên, mảng kìm quang học có thể bẫy được các vi cầu nếu bộ tham<br />
số sau đây được lựa chọn:<br />
<br />
M 1.671014 m2 / W ; d 0, 2 0,3 cm<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
I s Fs (4000 4300) W / cm2 MHz;Vs 3500m / s<br />
<br />
<br />
1,17m; P0 1.109W (8)<br />
<br />
<br />
<br />
a 0.05m; nm 1,57<br />
<br />
<br />
<br />
n 1,326<br />
<br />
3. KẾT LUẬN<br />
Ba điều kiện để các vi thấu kính được biến điệu bằng sóng âm trong EDFG có thể sử<br />
dụng để bẫy các vi cầu đã được xem xét. Kết quả khảo sát bằng số đã được phân tích và<br />
rút ra bộ giá trị các tham số của EDFG, chùm laser, sóng âm, vi cầu và chất lưu cho việc<br />
thiết kế mảng kìm quang học cụ thể. Đặc biệt, kết quả khảo sát cho EDFG, chúng ta đã<br />
tìm ra được mối liên hệ giữa cường độ và tần số sóng âm, bảo đảm thỏa mãn điều kiện giới<br />
hạn nhiễu xạ, một thông số quan trọng cho hệ quang hội tụ chùm laser.<br />
Trên cơ sở lựa chọn phù hợp giữa tần số và cường độ sóng âm, các tham số khác cần<br />
lựa chọn để thỏa mãn đồng thời ba điều kiện để mảng kìm quang học sử dụng các vi thấu<br />
kính có thể bẫy các vi cầu có kích thước khác nhau nhúng trong môi trường chất lưu khác<br />
nhau. Những vấn đề này cần được quan tâm trong quá trình thiết kế mảng kìm quang học<br />
dựa trên các vi cầu biến điệu âm.<br />
<br />
<br />
<br />
T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 37, 06 - 2015 149<br />
VËt lý<br />
<br />
<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, “Trapping capability of microlens<br />
2D array by acoustic modulation,” Journal of Advances in Physics, Vol.6, No. 2, 1072-<br />
1078 (2014).<br />
[2]. V.T. Nguyen, Q.Q. Ho,“Optical trap 2D array by acoustic modulation.”J. of Physical<br />
Science and Application, Vol.4, 420-425, 2014.<br />
[3]. Nguyễn Văn Thịnh, “Mảng kìm quang học trong tinh thể GaAs biến điều bằng sóng âm,”<br />
Tạp chí Nghiên cứu KHCNQS, Số 35, 02-2015.<br />
[4]. O. Mavago, P.H. Jones, P.G. Gucciari, G. Volpe and A. C. Ferrari, “Optical trapping and<br />
manipulation of nanostructures, “ Nature Nanotechnology 8, 807-819 (2013), Doi :<br />
10.1038/nnano.2013.208.<br />
[5]. H.Q. Quy, M.V. Luu, H. D.Hai, D. Zhuang, “The simulation of stabilizing process of<br />
dielectric nanoparticle in optical trap using counter-propagating pulsed Gaussian<br />
beams,” Chinese Optical Lett. Vol.8 (2010) 332-334.<br />
[6]. T. Perkin, “Optical traps for single molecule biophysics: a primer,” Laser and Photon.<br />
Rev.3, No. 1-2, 203-230 (2009), DOI 10.1002/Ipor.200810014.<br />
[7]. V. Bormuth et al, “Optical trapping of coated microspheres,” Opt. Exp. 16 (2008), pag.<br />
13831-13844.<br />
[8]. A. Korpel, Acousto-Optics. New York: Marcel Dekker. Inc. 1988, 358.<br />
[9]. B.E.Saleh, M.C. Teich, Funadamentals of photonics, John Wiley & Sons, INC., New<br />
York (1998) 825-830.<br />
<br />
ABSTRACT<br />
Tweezers array in extra-dense flint glass<br />
modulated by acoustic waves<br />
In previous our works, the microlens 2D array modulated by acoustic waves<br />
is investigated using crystal GaAs. The results have shown that the properties of<br />
microlens will be different if the acoust-elastic medium is different. So the<br />
trapping capability depends on all principle parameters. In this paper, the<br />
conditions for microparticle trapping of the maximum gradient force, radius of<br />
trapping region limit and numerical aperture are discussed to find out the<br />
suitable collection of parameters of microlens created by AEM in the extra-dense<br />
flint glass.<br />
Keywords: Optical tweezers array, Acoustic wave modulation, Extra-dense flint glass, Optical force.<br />
<br />
<br />
Nhận ngày 20 tháng 02 năm 2015<br />
Hoàn thiện ngày 05 tháng 03 năm 2015<br />
Chấp nhận đăng ngày 21 tháng 03 năm 2015<br />
<br />
<br />
<br />
Địa chỉ: 1Trường Đại học Bạc Liêu;<br />
2<br />
Trường Đại học Hồng Đức;<br />
3<br />
Trường Đại học Điện lực;<br />
4<br />
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; *Email: thangnm@jmst.info.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
150 N. V. Thịnh, C.V.Biên,…, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm … bằng sóng âm."<br />