Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý "Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt" trình bày các nội dung chính sau: Kìm quang học ứng dụng điều khiển vi hạt; Mẫu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng thuốc nhuộm hữu cơ; Hiệu suất bẫy của kìm quang học phi tuyến; Điều khiển toàn quang vi hạt trong không gian.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT Ngành: Quang học Mã số : 9.44.01.10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS. Nguyễn Thu Cầm 2. PGS.TS. Hồ Quang Quý HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Ngƣời cam đoan Đoàn Quốc Tuấn
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Vật lý kỹ thuật- Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thu Cầm và PGS.TS. Hồ Quang Quý. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn, những người đã định hướng khoa học, chỉ bảo tận tình và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.` Nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng/Bộ Tổng Tham mưu, Thủ trưởng và cán bộ-nhân viên Phòng Đào tạo, Thủ trưởng Viện Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các giảng viên, các nhà khoa học của Viện Vật lý kỹ thuật, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Quân sự và các đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án cũng như đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Đoàn Quốc Tuấn
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án: ..........................................................................1 2. Mục tiêu của luận án:.............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .......................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..............................................................................3 7. Bố cục của luận án .................................................................................................4 Chương 1 ........................................................................................................... 5 KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT ............................. 5 1.1. Tổng quan về phát triển của kìm quang học .............................................. 5 1.2. Quang lực tác động lên vi hạt ......................................................................... 10 1.3. Bẫy quang học ................................................................................................. 14 1.4. Một số kìm quang học sử dụng điều khiển vi hạt.......................................... 17 1.4.1. Kìm quang học giao thoa ...................................................................... 17 1.4.2. Kìm quang học lệch tia quang-âm . ...................................................... 18 1.4.3. Kìm quét tia laser hai chiều................................................................... 18 1.4.4. Mảng kìm thông minh ........................................................................... 20 1.4.5. Kìm quang học điều khiển vi hạt bằng bàn gốm áp điện. ..................... 21 1.5. Kìm quang học phi tuyến ................................................................................ 23 1.6. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 31 Chương 2 ......................................................................................................... 32 KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG .................................. 32 CHẤT MÀU HỮU CƠ ................................................................................... 32
iv 2.1. Các chất màu hữu cơ phi tuyến cao ................................................................ 32 2.2. Đề xuất mẫu kìm quang học phi tuyến........................................................... 33 2.3. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 34 2.4. Tiêu cự của thấu kính phi tuyến...................................................................... 35 2.5. Tái phân bố cường độ trong không gian pha (,z) của chùm laser Gauss ... 39 2.6. Quang lực dọc tác động lên vi hạt điện môi .................................................. 41 2.7. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 46 Chương 3 ......................................................................................................... 48 HIỆU SUẤT BẪY CỦA KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN ......................... 48 SỬ DỤNG MÀNG CHẤT MÀU HỮU CƠ ................................................... 48 3.1. Hiệu suất bẫy quang ........................................................................................ 48 3.2. OTE của NOTW ............................................................................................. 49 3.3. Khảo sát số ảnh hưởng của công suất laser trung bình lên OTE .................. 51 3.3.1. OTE dọc ................................................................................................ 51 3.3.2. OTE ngang .............................................................................................. 55 3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 61 Chương 4 ......................................................................................................... 62 ĐIỀU KHIỂN TOÀN QUANG VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN .............. 62 4.1. Động học vi hạt tự do ............................................................................... 62 4.1.1. Mẫu NOTW cho vi hạt tự do ................................................................ 62 4.1.2. Hệ phương trình Langevin .................................................................... 64 4.1.3. Quỹ đạo của vi hạt trong vùng bẫy ....................................................... 65 4.2. Kéo căng phân tử ADN. .................................................................................. 69 4.2.1. Mẫu NOTW kéo căng phân tử ADN. ................................................... 69 4.2.2. Hệ phương trình Langevin tổng quát .................................................... 70 4.2.3. Động học của vi hạt gắn với phân tử ADN ........................................... 71 4.3. Lựa chọn NOTW phù hợp với phân tử ADN ................................................ 80 4.3.1. NOTWsử dụng kéo căng phân tử ADN chủng lamda .......................... 80 4.3.2. NOTW dùng để kéo căng phân tử BEC ................................................ 83
v 4.4. Kết luận Chương 4........................................................................................... 85 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 91
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a [m] - Bán kính vi hạt c [3.108 m/s]-Vận tốc ánh sáng trong chân không d [m] - Độ dày lớp chất lưu ⃗ (| ⃗ |) [ N] - Véc tơ quang lực (độ lớn quang lực) Fgrad,z [N] - Quang lực gradient dọc Fgrad,ρ [N] - Quang lực gradient ngang f, fnl [m] - Tiêu cự thấu kính (phi tuyến) [J.s/rad] - Hằng số Planck I, I0 [W/cm2] - Cường độ laser ⃗⃗ - Véc tơ sóng | ⃗⃗ | [1/m] - Số sóng kB [1.38064852 ×10-23m2kgs-2K-1] - Hằng số Boltzman L [m] - Chiều dài môi trường Lb[m] - Chiều dài bền của ADN Lc[m] - Chiều dài tổng của ADN Lstr[m] - Chiều dài căng có thể của ADN m - Tỉ số chiết suất mpt - Tỉ số chiết suất phi tuyến mh[kg] - Khối lượng vi hạt N - Số phô tôn nh- Chiết suất hạt điện môi nm (nf) - Chiết suất môi trường (chất lưu) n2(nnl)[cm2/W] - Hệ số chiết suất phi tuyến nK - Chiết suất môi trường Kerr n0 - Chiết suất tuyến tính của môi trường Kerr
vii P[W] - Công suất laser ⃗ [kg.m/s] - Véctơ xung lượng Q - Hiệu suất bẫy quang T[oK] - Nhiệt độ tuyệt đối t[s] - Thời gian U[J] - Năng lượng laser W0[cm] - Bán kính thắt chùm Win[cm] - Bán kính thắt chùm LGB vào Wz [cm] - Bán kính chùm tia LGB tại z Wi [0...1] - Giá trị của hàm ngẫu nhiên z[m] - Tọa độ dọc trục laser z0[m] - Độ dài Rayleigh α[N.cm3/W] - Hệ số phân cực của vi cầu lưỡng cực [N.cm2/W] - Hệ số tán xạ của vi cầu h[m/W] - Hệ số hấp thụ của chất màu hữu cơ  [kg/s] - Hệ số ma sát nhớt [kg/m.s (Pa.s)] - Độ nhớt [m] - Tọa độ hướng tâm [nm] - Bước sóng laser 0 [8,85 10-12 F/m] - Độ điện thẩm của chân không AND - Phân tử AND (Deoxyribonucleic acid) AOT - Kìm quang âm (Acousto-optical tweezers) AOCM - Phương pháp điều khiển quang-âm (Acousto-Optical Control) Method)- Mảng vi thấu kính (Array of microlens) AoML AoOTW - Mảng kìm quang học (Array of Optical Tweezers) ApoLB - Công suất trung bình của chùm laser (Average power of Laser Beam)
viii aOCM - Phương pháp điều khiển toàn quang (All Optical Control Method) BEC - Vi khuẩn E. Coli (Bacteria Escherichia Coli) CL - Chiều dài tổng của ADN (Contour Length) DMP - Vi hạt điện môi (Dielectric Micro Particles) EF - Lực đàn hồi (Elastic force) EMCM - Phương pháp điều khiển điện-cơ (Electro-Mechanical Control) Method)- Phương pháp điều khiển điện-quang (Electro-Optical Control Method) EOCM FDE - Phương trình vi phân hữu hạn (Finite Different Equation) FDM - Phương pháp vi phân hữu hạn (Finite Different Method) GLE - Phương trình Langevin tổng quát (General Langevin Equation) GOF - Lực gradient quang (Gradient Optical Force) ICOTW - Kìm quang học thông minh (Intelligent Control Technique Optical Tweezers) IOTW - Kìm quang học giao thoa (Interference Optical Tweezers) KE - Hiệu ứng Kerr (Kerr Effect) KF - Chất lưu Kerr (Kerr Fluid) KMP - Vi hạt Kerr (Kerr Micro Particle) LGB - Chùm laser Gauss (Laser Gausian Beam) LGOF - Quang lực gradient (Longitudinal Gradient Optical Force) LHGB - Chùm laser Hollow (Laser Hollow-Gaussian Beam) LOTW - Kìm quang học tuyến tính (Linear Optical Tweezers) ML - Vi thấu kính (Microlens) MO - Kính hiển vi (Mircoscope Objectives) NcoRI - Hệ số chiết suất phi tuyến (Nonlinear Coefficient of Refractive Index) NL - Thấu kính phi tuyến (Nonlinear Lens) NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Microlens) NOTW - Kìm quang học phi tuyến (Nonlinear Optical Tweezers) OD - Chất màu hữu cơ (Organic Dye) OF - Quang lực (Optical Force)
ix OMCM - Phương pháp điều khiển cơ - quang (Opto-Mechanical Control) OT - Bẫy quang học (Optical Trap) Method) OTE - Hiệu suất bẫy quang (Optical Trap Efficiency) OTW - Kìm quang học (Optical Tweezers) NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Micro Lens) NA - Khẩu độ số (Numerical Aperture) PL - Độ dài biên (Persistence Length) SFE - Hiệu ứng tự hội tụ (Self-Focus Effect) SOF - Quang lực tán xạ (Scattering Optical Force) TGOF - Lực gradient ngang (Transverse Gradient Optical Force) TC - Tâm bẫy (kìm) (Trap (Tweezers) Center) TR - Vùng bẫy (Trap Region)
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu vào DMP ......................................................................................................... 11 Hình 1.2 Hướng lực tác động lên DMP tương ứng vị trí ................................ 12 Hình 1.3 GOF của LGB tác động lên vi cầu. .................................................. 13 Hình 1.4 a: LGB bẫy hạt với m > 1; b: LHGB bẫy hạt với m < 1 .................. 13 Hình 1.5 Cấu hình nguyên lý tối thiểu của OT. .............................................. 15 Hình 1.6 Sơ đồ chức năng chi tiết cấu tạo OT sử dụng một chùm laser . ...... 16 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOTW ............................................................ 17 Hình 1.8 Kìm quang học AOTW ................................................................... 19 Hình 1.9 OPTW sử dụng bộ quét tia Galvo. ................................................... 19 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOTW ............................................................. 21 Hình 1.11 LOTW điều khiển DMP dọc trục laser .......................................... 22 Hình 1.12 Mô tả mẫu NOTW hai chiều .......................................................... 24 Hình 1.13 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KF ................................. 26 Hình 1.14 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KP .................................. 27 Hình 1.16 LGOF tổng trên trục chùm tia với các trường hợp: ....................... 28 Hình 1.17 NOTW ứng dụng điều khiển 3D . .................................................. 29 Hình 1.18 Phân bố lại cường độ của laser. ..................................................... 30 Hình 1.19 Sự phụ thuộc của vị trí cân bằng dọc trục vào APoLB.................. 30 Hình 2.1 Cấu trúc hóa học và công thức phân tử của Acid Blue. ................... 33 Hình 2.2 Cấu hình NOTW .............................................................................. 34 Hình 2.3 Biễu diễn các tham số của LGB và vị trí DMP trong (,z). ............ 37 Hình 2.4 Tiêu cự của các lớp màng có độ dày phụ thuộc APoLB ................. 38 Hình 2.5 Tiêu cự của màng có độ dày được chiếu bởi LGB có APoLB thay đổi trong khoảng (90160) mW. ............................................... 39
xi Hình 2.6 Phân bố cường độ laser trong không gian pha với các giá trị khác nhau của APoLB ............................................................................................. 41 Hình 2.7 Phân bố của LGOF trong không gian pha với các giá trị khác nhau của APoLB. ..................................................................................................... 43 Hình 2.8 Phân bố của LGOF tác động lên DMP với các giá trị khác nhau của APoLB. ............................................................................................................ 43 Hình 2.9 Hình thành TC trên trục chùm laser. ................................................ 44 Hình 2.10 Xác định vùng bẫy và ổn định của DMP trên trục laser. ............... 45 Hình 3.1 LGOF với APoLB khác nhau . ........................................................ 52 Hình 3.2 “Chuông” lực - TR. .......................................................................... 53 Hình 3.3 Thay đổi TR (đường kính zst) và TC theo APoLB. ......................... 53 Hình 3.4 Phân bố OTE dọc với APoLB khác nhau. ....................................... 54 Hình 3.5 Phân bố OTE ngang với APoLB khác nhau. ....................................... 55 Hình 3.6 TGOF và đường kính TR ổn định st; .............................................. 56 Hình 3.7 với APoLB khác nhau....................................................... 57 Hình 3.8 OTE dọc với APoLB khác nhau của NOTW................................... 58 Hình 3.9 OTE ngang với ApoLB khác nhau của NOTW. ............................. 59 Hình 3.10 Phụ thuộc của OTE ngang cực đại của NOTW. ............................ 60 Hình 3.11 Phụ thuộc của OTE dọc cực đại của NOTW. ............................... 60 Hình 4.1 Cấu hình NOTW với DMP tự do. .................................................... 63 Hình 4.2 Vị trí ngang (a) và dọc (b) của DMP tự do trong thời gian bẫy ..... 66 Hình 4.3 Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo của DMP ........................... 67 Hình 4.4 Các đặc trưng vị trí ngang - thời gian kéo của DMP. ...................... 67 Hình 4.5 Quỹ đạo của vi hạt............................................................................ 68 Hình 4.6 Cấu hình NOTW kéo thẳng phân tử ADN. ...................................... 70 Hình 4.7 OF và EF tại các vị trí khác nhau của DMP. ................................... 72 Hình 4.8 Đặc trưng vị trí-thời gian hướng tâm, dọc trục của DMP................ 73 Hình 4.9 Đặc trưng vị trí - thời gian của DMP có vị trí ban đầu khác nhau... 74
xii Hình 4.10 Đặc trưng vị trí-thời gian của DMP trên trục laser ........................ 77 Hình 4.11 Vận tốc tức thời của DMP . ........................................................... 78 Hình 4.12 Các đường đặc trưng vị trí-thời gian của DMP bẫy tại hai vị trí ban đầu khác nhau trên trục laser của NOTW ....................................................... 78 Hình 4.13 Quỹ đạo của DMP bẫy trên trục laser khảo sát với cường độ đỉnh laser khác nhau. ............................................................................................... 79 Hình 4.14 Chuyển động Brown của DMP tại vị trí bẫy, ................................ 79 Hình 4.15 Cấu hình NOTW sử dụng kéo căng ADN. .................................... 81 Hình 4.16 Đặc trưng vị trí - thời gian của ADN chủng lambda ..................... 82 Hình 4.17 Đặc trưng vị trí-thời gian của phân tử BEC ................................... 85
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 4.1 Vài tham số động học của DMP bẫy. .............................................. 76
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án: Năm 1970, A. Ashkin đã khẳng định có thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc và giam giữ các vi hạt điện môi. Phát hiện đó đã được chính Ashkin và cộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực gradient của một chùm laser được hội tụ mạnh tác động lên vi hạt. Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quang lực của chùm tia laser tác động lên vi hạt và một số mẫu bẫy quang học khác nhau. Không chỉ dừng lại ở chức năng giam giữ các vi hạt tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có thể điều khiển di chuyển các vi hạt trong không gian bằng cách thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học-từ đây định nghĩa là kìm quang học tuyến tính là thiết bị quang học có thể đồng thời giam giữ và di chuyển vi hạt trong không gian ra đời. Ngay sau khi ra đời, kìm quang học tuyến tính được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệu trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn, đặc biệt các phân tử AND và điều khiển chúng trong không gian bằng các phương pháp điều khiển khác nhau như: quang-cơ, quang-điện, quang-âm, quang-từ. Tuy được đưa vào ứng dụng thực tế, song các phương pháp trên chưa có độ chính xác cao, đồng thời, hệ thống thiết bị phức tạp, cần phải thay đổi ít nhất hai yếu tố khi cần điều khiển trong không gian ba chiều. Gần đây phương pháp toàn quang được nghiên cứu dựa trên hiệu ứng Kerr của môi trường chất lưu. Mặc dù đã có những phát triển về độ chính xác, tuy nhiên vẫn gặp phải khó khăn đó là cần đến hai yếu tố và hệ thống chưa hoàn thiện. Trong những năm gần đây, các chất màu hữu cơ có tính phi tuyến cao đã được chế tạo thành sản phẩm thương mại, có thể thay thế các chất lưu thông thường có tính chất phi tuyến thấp. Đây là một thuận lợi để chúng tôi đề xuất và tiến hành nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng các chất màu hữu cơ như
2 một vi thấu kính trong cấu trúc kìm quang học với hy vọng giảm thiểu các yếu tố cần thiết cho việc điều khiển vi hạt, nâng cao hiệu suất bẫy và tối ưu hóa các thông số thiết kế bẫy quang học phù hợp với các đối tượng nghiên cứu khác nhau, đặc biệt là các chủng loại ADN với độ dài tổng khác nhau. Nội dung nghiên cứu được thể hiện trong luận án: “Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt”. 2. Mục tiêu của luận án: Trên cơ sở cấu hình của kìm quang học tuyến tính (LOTW) và kìm quang học phi tuyến (NOTW) đã được nghiên cứu trước đây và một số chất màu (OD) có đặc trưng phi tuyến bậc ba cao, chúng tôi đề xuất NOTW mới có thể sử dụng điều khiển các vi hạt điện môi (DMP) và kéo căng phân tử ADN bằng phương pháp toàn quang (aOCM). 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: * Đối tƣợng nghiên cứu: - Vi thấu kính phi tuyến (NML) hình thành do hiệu ứng tự hội tụ (SFE) qua môi trường chất màu hữu cơ (OD) có đặc trưng phi tuyến cao. - Kìm quang học phi tuyến (NOTW) sử dụng NML. - Hiệu suất bẫy quang (OTE) và Quang lực (OF) của NOTW tác động lên vi hạt điện môi (DMP). * Phạm vi nghiên cứu: Động lực học của các DMP tự do trong chất lưu dưới tác động của OF. Động lực học của DMP bẫy gắn với phân tử ADN và quá trình kéo căng các phân tử ADN. Nghiên cứu được giới hạn ở tính toán lý thuyết, giải số, khảo sát các đặc trưng của NOTW và đặc trưng động lực học của các DMP trong kìm quang học.
3 4. Nội dung nghiên cứu: 1. Đề xuất mẫu NOTW sử dụng các OD, khảo sát sự phụ thuộc của tiêu cự các NML vào các tham số thiết kế, bình luận, xác định cấu hình ứng dụng. 2. Nghiên cứu khảo sát hiệu suất bẫy (Optical Trap Efficiency- OTE) của NOTW và so sánh với OTE của LOTW. 3. Nghiên cứu ứng dụng NOTW đã đề xuất vào quá trình điều khiển DMP tự do trong không gian ba chiều và kéo căng các phân tử ADN có chiều dài tổng (contour length - CL) khác nhau. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án thực hiện dựa trên phương pháp phân tích, đánh giá kết hợp với phương pháp mô hình hóa. Sử dụng lý thuyết quang phi tuyến, kìm quang học và động học của DMP nhúng trong chất lưu dẫn các biểu thức, phương trình mô tả các đặc trưng của kìm quang học phi tuyến và phương trình mô tả động học của DMP. Dùng phương pháp tính toán số, khảo sát các đặc trưng của NOTW và động lực học của DMP, bình luận kết quả đưa ra gợi ý cho nghiên cứu thực nghiệm chế tạo NOTW và điều khiển quang trong quá trình kéo căng phân tử AND có chiều dài tổng (CL) khác nhau. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: i) Đề xuất cấu hình NOTW sử dụng màng OD hữu cơ phù hợp sẽ đem lại sự đa dạng các cấu hình của OT và điều khiển các vi hạt bằng phương pháp toàn quang ứng dụng nghiên cứu các đối tượng sinh học; ii) Chứng minh được sự tăng cường OTE của NOTW để có thể ứng dụng trong quá trình điều khiển DMP. Ý nghĩa thực tiễn: i) NOTW đề xuất trong luận án có thể ứng dụng cho quá trình nghiên cứu điều khiển các DMP tự do, các đối tượng sinh học trong quá trình tái phân bố vi hạt trong không gian, kéo căng các phân tử ADN và nâng cao độ phân giải trong xử lý ảnh quang.
4 7. Bố cục của luận án Ngoài các mục mở đầu, kết luận chung, nội dung luận án được bố cục thành bốn chương sau: Chương 1: Kìm quang học ứng dụng điều khiển vi hạt Tổng quan về OF, OT, LOTW, NOTW và các vật liệu phi tuyến bậc ba (KF); phân tích những ưu điểm, nhược điểm của kìm quang học đã được nghiên cứu, từ đó đề xuất NOTW sử dụng OD. Chương 2: Mẫu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng thuốc nhuộm hữu cơ. Đưa ra cấu hình của NOTW sử dụng OD như NML. Dẫn các biểu thức về tiêu cự của NML, OF tác động lên DMP. Khảo sát số, sự phụ thuộc của tiêu cự của NML, tiết diện thắt LGB trong chất lưu, phân bố của OF trong không gian ba chiều vào các tham số thiết kế. Chương 3. Hiệu suất bẫy của kìm quang học phi tuyến Dẫn biểu thức của OTE dọc, ngang của NOTW. Khảo sát sự phụ thuộc của OTE vào các tham số thiết kế. So sánh OTE của NOTW với OTE của OTW. Bình luận rút ra đặc trưng ưu việt của NOTW đã đề xuất. Chương 4. Điều khiển toàn quang vi hạt trong không gian. Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP tự do trong không gian hai chiều, ba chiều. Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP bẫy liên kết với phân tử ADN và quá trình kéo căng phân tử ADN. Bình luận về cấu hình NOTW ứng dụng cho quá trình kéo căng các chủng loại phân tử ADN có CL khác nhau. Nội dung chính của luận án được công bố trong 06 bài báo khoa học đăng trên các tạp chí: Optic Communication (02 bài, ISI), Optical and Quantum Electronics (01 bài, ISI), Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự (01 bài), Hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc (02 bài).
5 Chƣơng 1 KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT Chương này sẽ trình bày tổng quan về phát triển của bẫy quang học (OT), khái niệm quang lực (OF); các loại OF và cơ chế hình thành chúng; cơ sở thiết kế kìm quang học tuyến tính LOTW và điều kiện bẫy các vi hạt điện môi (DMP); những yêu cầu nghiên cứu trong thực tế và đề xuất các dạng LOTW ứng dụng điều khiển DMP bẫy trong không gian; những đề xuất áp dụng hiệu ứng phi tuyến (KE) vào thiết kế kìm quang học tuyến tính (NOTW) cho mục đích điều khiển vi hạt bằng phương pháp toàn quang (aOCM). 1.1 Tổng quan về phát triển của kìm quang học Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin đã khẳng định có thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các vi hạt điện môi (Dielectric MicroParticles-DMP) [7]. Phát hiện đó đã được chính Ashkin và cộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực gradient (Gradient Optical Force-GOF) của một chùm laser được hội tụ mạnh tác động lên DMP [8]. Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quang lực (Optical Force-OF) của chùm tia laser tác động lên DMP và một số mẫu bẫy quang học (Optical Trap-OT) khác nhau [9],[10],[12],[17],[25]. Không chỉ dừng lại ở chức năng giam giữ các DMP tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có thể điều khiển (Control) di chuyển các DMP trong không gian bằng cách thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học - từ đây định nghĩa là kìm quang học tuyến tính (Linear optical tweezers-LOTW) là thiết bị quang học có thể đồng thời giam giữ và di chuyển DMP trong không gian ra đời [11],[13],[29],[33],[36],[40],[41],[54], [57],[66],[77],[87],[88],[105],[108]. Ngay sau khi ra đời, LOTW được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệu trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn, đặc