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
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Mã số: 844.01.10
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
i
Nguyễn Thị Thu Loan
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
ii
nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.
Mở đầu......................................................................................................... ......... ......1
MỤC LỤC
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
iii
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 4950
Ký hiệu và thuật ngữ viết tắt
Viết tắt Giải thích nghĩa Giải thích nghĩa
Mảng kìm quang học thông minh. ICOT Intelligently Control Optical Tweezers
AOD Acousto - Optical Deflector Linh kiện phản xạ quang - âm.
Numerical Aperture Khẩu độ số. NA
Interferometric Optical Trap Mảng kìm giao thoa quang. IOT
Ý nghĩa, đơn vị
grad
, Quang lực; Lực gradient; Lực tán xạ (N) Ký hiệu (cid:1) (cid:1) F F , (cid:1) txF
Tần số sóng âm (Hz) Fs
Cường độ laser (W/m2) I, I0
Cường độ sóng âm (W/m2) Is
Hằng số đáp ứng (m2/W) M
Số photon N
NA Khẩu độ số
Công suất (W) P, P0
Biên độ sóng âm (V/m) S0
Vận tốc sóng âm (m/s) Vs
Vận tốc ánh sáng (m/s) c
Độ dày môi trường (m)
d (cid:1) f Quang lực của một photon (N)
Tần số ánh sáng (Hz) fa
Tiêu cự thấu kính (m) f, f1, f2
Số sóng (1/m) K
Tỉ số chiết suất m
(cid:1) p
n, nh, nm Chiết suất
iv
Xung lượng của photon (kg.m/s)
(cid:1) r
Véc tơ tọa độ không gian
T Thời gian (t)
Bán kính vết chùm tia và thắt chùm (m) w, w0
Độ dài Rayleigh (m) z0
Λ Bước sóng sóng âm (m)
Tiết diện tán xạ (m.s) α
Ω Tần số góc(rad/s)
Λ Bước sóng laser (m)
ℏ
Hằng số Plank (Js)
v
Pha ban đầu của hai sóng theo chiều x,y φx , φy
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
= −
0.2 π
ϕ
÷ 0
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
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 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 sóng âm trong môi trường quang-âm
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 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)
vi
Hình 3.9 Sự phụ thuộc của quãng đường dịch chuyển của vi hạt bẫy bởi một đơn kìm vào tần số
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài
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
1
tưởng điều khiển vi hạt trong không gian 3D bởi 1một yếu tố hoặc tần số hoặc
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.
2
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
(cid:1) p
(cid:1) k= ℏ (1.1)
−
34
=
≈
×
h
π / 2
1.05475 10
J s rad /
.
ℏ
(cid:1) là hằng số Planck, k
[1]. Xét trong vùng quang học, một phôtôn luôn có xung lượng:
=
π λ 2 /
là véc tơ sóng với
. Giả sử rằng một chùm ánh sáng đơn sắc tuyệt đối gồm nhiều trong đó, (cid:1) k số sóng
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
3
vi hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (nh>nm).
a
b
c
4
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
−
=
(cid:1) ∆ = p
(cid:1) p
sẽ truyền cho vi hạt [1]:
(cid:1) p in
out
(cid:1) P h
(1.2)
(cid:1) hP
Sau khi nhận được xung lượng từ phô tôn, vi hạt có xung lượng . Như
vậy, vi hạt sẽ nhận được xung lượng từ hai quá trình trên.
=
∆
(cid:1) F
(cid:1) P
/
t
Theo định luật 2 Newton, nếu vi hạt nhận được xung lượng đó trong thời
gian t∆ thì nó chịu một quang lực do đó, vi hạt trong Hình 1.1 sẽ bị tác
động bởi hai lực, tán xạ (phản xạ trên vật có kích thước nhỏ hơn bước sóng laser) và
px
kx
=
=
(cid:1) F
(cid:1) F
,
khúc xạ xác định như sau:
(cid:1) P kx h ∆
(cid:1) P px h ∆ t
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
(cid:1) F
∼
thay đổi phụ thuộc vào vị trí của tâm hạt tương ứng với tiêu điểm như trên Hình 1.2.
(cid:1) ∆ N P ∆ t
(1.4)
+
=
trong đó, N là số photon tác động lên vi hạt. Trong cả ba trường hợp, lực
(cid:1) F T
(cid:1) F a
(cid:1) F b
tổng hợp 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
5
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
/
1
cường độ phân bố không gian theo hàm Gauss, hay gọi là chùm Gauss có thể bẫy vi
> so với chiết suất môi trường xung quanh tại tâm
= m n h
n m
hạt có tỉ số chiết suất
/
1
thắt chùm, trường hợp ngược lại, một chùm laser hollow-Gauss có thể giữ vi hạt có
< tại tâm (Hình 1.4) [10]. Như vậy, một chùm laser có
= m n h
n m
tỉ số chiết suất
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
a λ> , Mie nếu a λ∼
xét trong các chế độ khác nhau. Quang lực được xét trong chế độ quang hình nếu
F
F
hay Rayleigh nếu a λ< với những sai số khác nhau. Trong chế
,
ρ tác động lên vi hạt được xác
, grad z
grad
độ Rayleigh, lực gradient dọc và ngang
F
I
= ∇ σ
σ
I F ;
= ∇ (1.5)
,
ρ
ρ
, grad z
z
grad
6
định như sau [1]:
2
3
=
σ
4 π
ε
a
2 n m
0
I là cường độ laser,
− +
1 2
m 2 m
là hệ số phân cực của vi cầu, z trong đó,
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 hollow-
Gauss bẫy hạt với m<1
Iβ=
Lực tán xạ tác động lên vi cầu được xác định như sau:
scatF
2
5
6
2
=
β
(1.6)
3
2
128 π c 3
mn a m m λ
1 − 2 +
trong đó là hệ số tán xạ.
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 7
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
8
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
9
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 quang-
âm 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
10
song với trục truyền lan của sóng âm.
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 deflector-
AOD). 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
11
điều khiển, tiêu điểm của chùm laser quét dò tìm vi hạt trên mặt mẫu (MM). Sau khi
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
13
pha (z,ρ) với công suất laser khác nhau (Hình 1.12).
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
14
mẫu kìm quang học với các thông số xác định (Hình 1.12).
Đồng thời với việc điều khiển vi hạt trên mặt phẳng vuông góc trục chùm tia,
bởi thay đổi công suất laser yếu, kìm quang học phi tuyến có thể điều khiển vi hạt
trong không gian 3D của chất lưu phi tuyến [13].
Kết luận Trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng quang-cơ, điện-cơ và quang-âm, quang-quang
(quang phi tuyến) một số kìm quang học đã được đề xuất nhằm mục đích điều khiển
các vi hạt sau khi bẫy trong gian một chiều, hai chiều và ba chiều. Để điều khiển
trong không gian ba chiều, ít nhất hai yếu tố cấu thành của kìm quang học phải
được can thiệp.
Câu hỏi đặt ra là có thể điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều khi thay đổi
một yếu tố không? Dựa trên cơ sở kìm quang-âm, chúng ta sẽ khẳng định điều này
15
trong các chương sau.
Chương 2: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG-ÂM
2.1. Biến điệu quang âm
Khi sóng âm truyền qua môi trường vật chất, một số tính chất của môi trường đó
sẽ thay đổi, đáp ứng lại tác động của sóng âm. Sự đáp ứng quan trọng nhất và dễ
dàng nhận thấy đó là quá trình dao động cơ của các phần tử vật chất theo sóng âm,
hay còn gọi là âm giảo. Độ lớn của dao động đó phụ thuộc vào cường độ sóng âm
và chu kỳ dao động đó phụ thuộc vào tần số sóng âm. Như vậy, dưới tác động của
sóng âm, mật độ các phân tử vật chất sẽ phân bố có chu kỳ theo tần số và độ lớn
theo cường độ sóng âm và cuối cùng, chiết suất, một đại lượng được quan tâm trong
khuôn khổ quang học phân bố theo tần số và cường độ sóng âm. Như vậy, biến điệu
quang-âm là quá trình thay đổi chiết quang của môi trường bằng sóng âm. Vật liệu
Sóng âm
sử dụng cho quá trình biến điệu quang-âm gọi là vật liệu quang-âm (VLQA).
Hình 2.1. Phân bố chiết suất VLQA theo trục truyền lan của sóng âm.
Trong hình 2.1 là ví dụ về biến điệu quang âm. Giả thiết một sóng âm phẳng lan
SV , tần số
SF và bước sóng
Λ =
truyền theo chiều x trong môi trường với vận tốc
V F /S S
. Do hiện tượng âm giảo, sức căng của vật chất tại vị trí x và thời gian t
=
s x t ( , )
qx
được mô tả như sau [14]:
S cos 0
Ω − ( t
)
16
(2.1)
Ω =
π=
2 /
q
Λ là số sóng của sóng
trong đó,
0S là biên độ,
sFπ 2
là tần số góc và
2
I
m
(W /
)
âm. Cường độ sóng âm sẽ là:
s
3 V S s
2 0
1 ρ= 2
(2.2)
trong đó, ρ là khối lượng riêng của vật liệu quang âm. Nếu môi trường trong suốt
s x t sẽ gây ra sự dao động chiết
và chiết suất khi chưa có sóng âm là n thì sức căng ( , )
suất theo hiệu ứng tương đương với hiệu ứng Pokkels (hiệu ứng quang giảo) như
3
∆
= −
n x t ( , )
n s x t ( , )
sau:
γ
1 2
(2.3)
trong đó, γ là hệ số hiện tượng luận được biết như hằng số quang đàn hồi (photoelastic constant). Từ đây, chúng ta gọi γ gọi là hằng số âm đàn hồi. Dấu trừ
trong (2.3) cho ta biết rằng sức căng dương sẽ làm giảm chiết suất. Sử dụng phương
trình (2.1) và (2.3) chúng ta suy ra biểu thức mô tả sự thay đổi chiết suất của môi
n x t ( , )
= −∆ n
qx
trường như sau:
n cos 0
Ω − ( t
)
(2.4)
3
trong đó:
n Sγ
∆ = n 0
0
1 2
(2.5) gọi là biên độ dao động của chiết suất.
Vật liệu quang-âm biến điệu một chiều được xem như cách tử Bragg. Khi một chùm
ánh sáng truyền qua cách tử Bragg sẽ khúc xạ dưới một góc Bragg, được xác định
sin
θ =
từ hẹ thức sau (xem hình 2.2):
λ 2 Λ
17
(2.6)
Hình 2.2 Khúc xạ Bragg của ánh sáng qua cách tử Bragg
tạo bởi sóng âm trong môi trường quang-âm [15].
Hiệu ứng biến điệu quang âm một chiều đã được sử dụng trong thiết kế, chế tạo kìm
quang học quang-âm một chiều (chương 1).
2.2 Cấu hình mảng vi thấu kính biến điệu quang âm
Khi sử dụng hai sóng âm truyền vuông góc với nhau vào môi trường quang- âm sẽ tạo ra ma trận các khối môi trường thành phần có kích thước Λ×Λ và chiết suất giảm
liên tục từ tâm (GRIN). Tâm của các khối cách nhau một khoảng bước sóng âm theo
cả hai chiều. Các khối thành phần này có thể hội tụ ánh sáng và toàn bộ môi trường
trở thành mảng vi thấu kính 2D động.
Môi trường quang - âm được biến điệu bởi hai sóng siêu âm truyền lan vuông
thước a a d góc với nhau được đề xuất như trong hình 2.3. Một khối môi trường có kích × × . Môi trường này được biến điệu bởi hai sóng âm truyền theo hai
chiều x và y. Hai sóng âm được phát chung bằng một bộ chuyển đổi điện - âm (ví
dụ bộ chuyển đổi điện - âm là tinh thể LiNbO3 được áp tín hiệu vô tuyến). Tần số
và cường độ sóng siêu âm phát ra từ bộ biến đổi có thể thay đổi bằng cách thay
18
đổi tần số và cường độ sóng vô tuyến.
Hình 2.3 Cấu tạo của bộ biến điệu quang - âm bằng hai sóng âm
d
nhìn từ trên xuống theo trục z [11].
Dưới tác động của hai sóng siêu âm khối môi trường quang - âm sẽ trở Λ × Λ × có chiết suất giảm liên thành khối gồm nhiều khối thành phần kích thước
tục từ trục trung tâm song song với trục z ra cạnh bên. Sau đây chúng ta sẽ dẫn
phương trình mô tả phân bố chiết suất trong môi trường quang - âm và khảo sát
phân bố đó bằng mô phỏng.
Giả thiết hai sóng siêu âm phẳng có cùng tần số và cường độ truyền qua môi
trường chất lưu theo hai chiều X và Y như trên hình 2.3. Dưới tác động của sóng âm,
các nút mạng trong môi trường chất lưu sẽ dao động theo sóng âm, theo hiện tượng
luận, hiện tượng này tương đương hiện tượng quang giảo. Tại mỗi vị trí trong môi
trường quang âm sẽ bị nén lại hoặc giãn ra phụ thuộc vào biên độ sóng âm truyền
qua. Độ nén (giãn) tại ví trí x và y của môi trường theo thời gian sẽ được mô tả bởi
x
=
t Ω −
+
S x t ( , )
ϕ
x
S cos 0
x
hai phương trình sau:
π 2 Λ
,
y
=
+
S y t ( , )
Ω − t
ϕ
S cos 0
y
y
(2.7)
π 2 Λ
,
19
(2.8)
ϕ ϕ tương ứng là pha ban đầu của hai sóng theo chiều x và y.
,x
y
trong đó,
∆ =
−
=
ϕ ϕ
ϕ
ϕ
Để đơn giản và không làm thay đổi độ lệch pha của hai sóng, chúng ta có thể lựa
xϕ = và 0
x
y
y
x
=
t Ω −
S x t ( , )
x
S cos 0
chọn và khi đó, (2.7) và (2.8) được viết lại như sau:
π 2 Λ
,
y
=
+
S y t ( , )
Ω − t
ϕ
S cos 0
y
y
(2.9)
π 2 Λ
,
(2.10)
Như đã đề xuất, hai sóng siêu âm truyền theo hai chiều khác nhau, nên tác động
của chúng lên môi trường là độc lập, do đó, độ nén của môi trường tại vị trí (x,y) là
tổng hợp của độ nén do hai sóng gây nên.
Dưới tác động của sóng âm truyền theo phương x, chiết suất sẽ biến điệu và được
= − ∆ n
( )n x
( n cos qx 0
)
mô tả theo phương trình (2.4) :
. (2.11)
( )n x sẽ được biến diệu theo trục y dưới tác động của sóng
Đồng thời, chiết suất
=
−
− ∆
n
n x y ( ,
)
(x)
ϕ
y
− ∆
−
= − ∆ n
âm truyền theo trục y, do đó, chúng ta có :
( n cos qy 0 ) ( n cos qx 0
y
)
+
−
= − ∆ n
ϕ
n cos qx 0
(
)
y
(2.12)
) ( n cos qy 0 ( cos qy
ϕ )
Sau khi thay số sóng q trong công thức (2.1), phương trình (2.12) được biến đổi
+
−
= − ∆ n
cos
n x y ( ,
)
π 2
π 2
ϕ
y
x Λ
y Λ
n cos 0
như sau :
ϕ
ϕ
y
x
y
x
≈ − ∆
−
+
n
cos
2
π
π
n cos 0
+ Λ
− Λ
y 2
y 2
(2.13)
Do vai trò của hai sóng biến điệu theo hai phương x và y là tương đương nhau,
chúng có thể thay đổi cho nhau, do đó, để đơn giản và không thay đổi tính cân bằng
20
của phương trình (2.13), chúng ta có thể viết lại phương trình (2.13) như sau:
ϕ
ϕ
y
x
y
x
= − ∆
−
+
n
cos
π
π
n x y ( ,
)
2
n cos 0
+ Λ
− Λ
y 2
y 2
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
y
x
y
x
= − ∆
−
−
+
−
n
cos
2
π
π
n cos 0
+ Λ
− Λ
y 2
y 2
y 2
y 2
y
x
x
y
= − ∆
− ∆
n
cos
2
π
ϕ
π
n cos 0
+ Λ
− Λ
(2.14)
Từ phương trình (2.14) chúng ta có thể khảo sát được phân bố chiết suất của
môi trường quang - âm trên mặt phẳng (X,Y).
Sau đây chúng ta sẽ khảo sát phân bố chiết suất 2D trong tinh thể vô định
÷
1, 0 14, 0 mµ
hình Ge33As12Se33. Các tham số quang học của Ge33As12Se33 như sau:
)
n =
4, 0
, - Phổ truyền qua (
−
11
=
M
1, 68.10
2 m W /
- Chiết suất ,
- Hằng số đáp ứng .
Tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 được biến điệu bởi một sóng siêu âm có các
6
=
Hz
178.10
tham số sau:
sF
2
=
m
I
4 1,0.10 W /
- Tần số ,
s
5500 /
- Cường độ trường ,
m s ,
=sV
- Tốc độ
Λ =
=
≈
5500 /172 31
mµ
- Sử dụng (2.3), bước sóng của sóng âm trong Ge33As12Se33 là :
V F / s s
.
được khảo sát như trên hình 2.4a với giả thiết độ lệch pha
Phân bố chiết suất trong mặt phẳng (X,Y) của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 0ϕ∆ = . Chúng ta nhận thấy, chiết suất thay đổi theo chu kỳ bằng bước sóng Λ trên cả hai trục X và Y .
0, 0005
n∆ = 0
Giá trị cực đại là 4,001 và cực tiểu là 3,999, nghĩa là biên độ dao
2
=
m
0, 03
0, 05
I
7 3,0.10 W /
n∆ ≈ 0
n∆ ≈ 0
động . Giá trị biên độ này sẽ tăng lên rất nhiều khi tăng cường độ sóng
s
2
=
m
I
7 8,0.10 W /
siêu âm: (hình 2.4b) ứng với và (hình
s
2
=
m
I
4 1,0.10 W /
2.4c) ứng với tăng lên gần 100 lần so với trường
s
hợp trong hình 2.4a. Hình chiếu của phân bố chiết suất lên mặt
21
phẳng (X,Y) như trong hình 2.4d cho thấy, sau khi được biến điệu chiết suất khối
× × có thể được xem như một
tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 kích thước a a d
d
)
Λ × Λ × chiết suất thay đổi liên tục
n x y , ( ,
ma trận N×N khối tinh thể kích thước
x
l
l
= − Λ = 1).
(
,
1, 2,3,...
trong đó, N = phần nguyên của a/ Λ. Các khối này được giới hạn bởi các mặt phẳng
l =
1, 2,3,...
y
= − Λ = 1).
l (
l
,
1, 2,3,...
(Y,Z) đi qua các điểm và (X,Z) đi qua các điểm
, trong đó là số thứ tự chu kỳ lặp tính từ gốc
tọa độ (0,0).
Mỗi khối tinh thể có chiết suất thay đổi theo trục x và y (hình 2.5a). Phân
bố chiết suất trong các khối này hoàn toàn giống nhau, giá trị cực đại tại trục
= Λ + − Λ
x
l
l / 2 (
1).
; y
= Λ + − Λ = l / 2 (
1).
,
song song với phương z đi qua tâm của khối tại tọa độ
) 1, 2,3...
và giảm dần về phía các (
mặt bên.
b) a)
c) d)
Hình 2.4 Phân bố chiết suất của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 trong mặt
22
phẳng (X,Y) [11]
2
2
2
=
=
=
m
m
m
I
4 1,0.10 W /
I
7 3,0.10 W /
I
7 8,0.10 W /
s
s
s
với , (a), , (b) và , (c); d) Sự
hình thành mảng chiết suất - vùng chiết suất giống nhau trên mặt phẳng (X,Y) và
n =
=
M
Với các tham số khác:
6 178.10
5500 /
4, 0
11 − 1,68.10
2 m W /
m s
sF
=sV
= Hz ; , , ,
Đường mức phân bố chiết suất trong mỗi khối thành phần (hình 2.5b) cho thấy
gần tâm đường mức có dạng tròn, biến đổi dần thành hình tứ giác cong và cuối cùng
∆ =
/ 2
ϕ π
∆ = ϕ
3 / 2 π
dạng hoa thị ở biên. Khi khảo sát phân bố chiết suất trong khối thứ nhất (gần gốc
(hình 2.5c) và (hình tọa độ nhất) với độ lệch pha ban đầu
2.5d), chúng ta thấy chỉ có tâm của khối này dịch chuyển khi thay đổi độ lệch pha
ban đầu, còn dạng phân bố chiết suất trong khối đó vẫn giữ nguyên.
A B
D C
∆ =
/ 2
ϕ π
Hình 2.5 A) Phân bố chiết suất trong diện tích Λ× Λ , B) Đường đẳng chiết trong diện tích Λ× Λ ( 0ϕ∆ = ),
∆ = ϕ
3 / 2 π
C) Đường đẳng chiết trong diện tích Λ× Λ ( ),
23
). D) Đường đẳng chiết trong diện tích Λ× Λ (
5500 /
n =
=
M
=
Hz
6 172.10
=
2 m
4, 0
− 11 1,68.10
2 m W /
=sV
I
4 1,0.10 W /
Với các tham số:
m s .[18]
sF
s
; , , ,
Như vậy, độ lệch pha ban đầu không ảnh hưởng đến phân bố chiết suất trong các
khối thành phần mà chỉ thay đổi vị trí tâm của chúng.
Từ hình 2.4, chúng ta có thể khẳng định, vật liệu quang-âm được biến điệu hai chiều
có thể trở thành mảng vi thấu kính sử dụng thiết kế mảng kìm quang học.
2.3. Cấu hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu
quang-âm
2.3.1. Mô hình
Giả thiết rằng một chùm tia laser có công suất gần đúng không đổi (P=const)
trên tiết diện ngang. Có thể dùng chùm Gauss được mở rộng bởi một hệ quang
sao cho phân bố công suất trên tiết diện ngang tại mặt vào của môi trường quang
- âm gần đúng đều. Chùm laser này chiếu vào môi trường quang - âm theo chiều
z. Môi trường quang - âm được biến điệu theo hai chiều vuông góc với nhau bởi
cùng một nguồn sóng âm và trở thành mảng vi thấu kính động 2D. Nhờ mảng vi
thấu kính động 2D này, chùm laser được chia thành nhiều chùm nhỏ và hội tụ
vào trong môi trường chất lưu đặt sau mảng vi thấu kính.
Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính
biến điệu sóng quang – âm [11].
24
(NSA - nguồn sóng âm, MVTKQA - mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm)
Vết hội tụ của các tia laser thành phần tạo thành một mảng kìm quang học 2D
trên mặt phẳng xác định trong chất lưu tại khoảng cách z = f tính từ mặt sau của
môi trường quang âm. Các vi hạt lơ lửng trong chất lưu sẽ bị bẫy vào tâm vết hội
tụ của các chùm laser thành phần. Nhờ quang lực, các vi hạt sẽ được giữ tại đó. Vị
trí của các vi hạt được bẫy trong không gian 3D được điều khiển bởi sóng âm do
một nguồn sóng âm áp vào hai mặt bên cạnh của môi trường quang - âm. Sơ đồ
cấu tạo rút gọn của mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang -
âm được trình bày trong hình 2.7. Buồng thủy tinh sẽ chứa chất lưu nhúng vi hạt.
Như giới thiệu ở trên, môi trường quang - âm là các tinh thể hoặc thủy tinh, do đó,
có thể sử dụng như nắp cứng cho buồng chứa chất lưu và vi hạt. Hai bộ chuyển đổi
điện - âm được chế tạo giống nhau với mục đích bảo đảm hai sóng âm truyền theo
hai chiều X và Y có cùng tần số và cường độ khi sử dụng chung một nguồn phát tín
hiệu vô tuyến. Chiều sâu của buồng chứa chất lưu và vi hạt được thiết kế lớn hơn
chút ít so với giới hạn trên của tiêu cự vi thấu kính (giá trị lớn nhất của tiêu cự có
thể đạt được).
Hình 2.7 Mảng kìm quang học trong chất lưu chứa vi hạt
25
(tương đương với cấu hình sử dụng thấu kính chế tạo sẵn) [11]
2.3.2. Tiêu cự vi thấu kính Như đã nói ở trên (hình 2.4), phân bố chiết suất trong các thành phần nhỏ theo
nguyên lý của tấm GRIN, do đó, mỗi thành phần đó được xem là một vi thấu kính
2
=
f
và tiêu cự của nó được xác định như sau [18]:
2(V / F ) s s d MI
4
s
(2.15)
2
=
I
s
3 gV S s
0 / 2
trong đó, d là độ dày của lớp vật liệu, tính theo trục z,
2
(2.16)
6
2
γ=
M
là cường độ của sóng âm (W/cm ), g là khối lượng riêng của vật liệu quang-âm
n 3 gV s
(2.17)
là tham số đáp ứng của môi trường thể hiện hiệu suất tương tác của sóng âm làm
thay đổi chiết suất của môi trường.
2.3.3 Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính
Trong thực nghiệm về kìm quang học, để bảo đảm có thể hội tụ mạnh chùm tia
laser, tạo ra gradient cường độ laser lớn cần phải sử dụng các thấu kính có khẩu độ
số (NA) lớn. Các thấu kính thường dùng hiện nay trong các kìm quang học có
khẩu độ số thay đổi trong khoảng từ 0,8 đến 1,4. Khẩu độ số của một thấu kính
≈ NA n
được xác định gần đúng như sau:
D 2m f
(2.18)
trong đó, D là đường kính mở của thấu kính (trong trường hợp cho MVTKQA
D=Λ), f là tiêu cự của thấu kính, nm là chiết suất môi trường sau thấu kính.
d MI
4
n m
s
NA =
Sau khi sử dụng công thức tính tiêu cự (2.15), chúng ta nhận được:
2(V / F ) s s
26
(2.19)
2.3.4. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính
Chúng ta đang quan tâm đến mảng kìm quang học 2D biến điệu quang - âm, do
đó, chúng ta giới hạn khảo sát quang lực tác động lên vi cầu lơ lửng trong môi
trường chất lưu. Trước tiên, chúng ta tìm biểu thức cho phân bố không gian của
cường độ chùm laser sau vi thấu kính. Sơ đồ cấu tạo của một vi kìm quang học đơn
0
chùm được trình bày trên Hình 2.8.
Hình 2.8. Cấu hình kìm quang học sử dụng một vi thấu kính [18].
Giả thiết chùm laser là một sóng phẳng có công suất không đổi trên tiết toàn bộ
≈
=
P
ρ
P
P x y ( ,
)
(
)
mặt của mảng vi thấu kính
0
(2.20)
chiếu vào vi thấu kính có cấu trúc như Hình 2.8.
Như đã trình bày ở mục trên, mỗi một vi thấu kính biến điệu quang - âm có tiêu cự f và đường kính mở Λ . Theo lý thuyết nhiễu xạ, sau khi truyền qua vi thấu
kính, chùm sóng phẳng sẽ được biến điệu không gian trở thành chùm laser có phân
27
bố dạng các vòng Airy (hình 2.9).
Hình 2.9 Phân bố cường độ trong đĩa Airy [22].
Phân bố cường độ trên vết hội tụ có profile gần đúng theo hàm Gaussian. Tại
mặt phẳng cách tiêu điểm một khoảng z, phân bố cường độ trong vết trung tâm
2
=
ρ
I
(
)
L
I exp L 0
2
được mô tả bởi hàm số sau:
ρ 2 W
−
(2.21)
z
=
λ
0, 42
W
trong đó:
+ f Λ
(2.22)
2e cường độ đỉnh tại tâm vết. Trong diện tích
là bán kính vết tại cường độ bằng 1/
vết trung tâm đó, cường độ chiếm 92,4% cường độ tổng. Trong biểu thức (2.22)
(3.9) chúng ta đã chọn gốc tọa độ tại tiêu diện của thấu kính (hình 2.8). Cường độ
=
I
L
0
đỉnh tại tâm vết là:
P A 0 2 2 fλ
(2.23)
2
A
=
trong đó A là diện tích khẩu độ.
πΛ 4
28
(2.24)
là diện tích mặt phẳng chính của vi thấu kính.
2
2
Λ
π
=
ρ
I
exp
(
z , )
L
2
2
Sau khi thế các biểu thức (2.22) đến (2.24) vào (2.21), chúng ta nhận được:
λ
P 0 2 f
4
λ
f
ρ (
(2.25)
)
2 0, 42
+ z Λ
−
Phương trình (2.25) cho chúng ta thấy rằng cường độ laser phụ thuộc chủ yếu
vào công suất của chùm laser, bước sóng sóng âm và tiêu cự vi thấu kính, tức là phụ
0
z = vào (2.25), chúng ta thu được hàm phân bố cường độ laser trên tiêu diện thấu
thuộc vào hằng số đáp ứng của môi trường và cường độ sóng âm. Hơn nữa, chúng 0ρ = ), cường độ luôn luôn không đổi. Sau khi thế ta thấy rằng, trên trục chùm tia (
2
2
Λ
π
ρ
=
−
ρ
I
(
,
f
)
exp
L
2
2
kính:
λ
P 0 2 f
4
2 0, 42
λ f Λ
(2.26)
Chúng ta chú ý rằng, phương trình (2.25) chỉ mô tả phân bố cường độ trên mặt
phẳng vết laser với giả thiết sóng laser là sóng phẳng. Điều này là không hợp lý, vì
sau khi hội tụ sóng phẳng sẽ trở thành sóng cầu. Do đó, phương trình (2.25) cần
phải cải biến để mô tả sóng cầu phụ thuộc tọa độ z và tọa độ hướng tâm ρ. Sử dụng
biểu thức tính cường độ chùm Gaussian, phân bố chùm tia laser sau khi hội tụ như
2
2
=
ρ
I
(
, z)
I
exp
0
sau:
W W
2 W
(0) (z)
ρ (z)
−
(2.27)
I
=
I ρ= (
= 0, z 0)
trong đó,
0
2
W
=
(z)
1
W 0
, là cường độ đỉnh tại tâm thắt chùm, (2.28)
z z 0
+
1/2
29
là bán kính vết chùm tia tại tọa độ z. (2.29)
π
=
z
0
2 W 0 λ
là độ sâu hội tụ. (2.30).
Từ (2.27) rút ra phân bố cường độ tại z=0 và so sánh kết quả với (2.26) chúng ta rút
=
λ
0,84
W 0
ra:
f Λ
(2.31)
2
=
I
là bán kính thắt chùm, và
0
Λ π 2 4
λ
P 0 2 f
(2.32)
2
π
0, 7
f
=
≈
z
0
là cường độ đỉnh và
πλ 2 Λ
2 W 0 λ
(2.33)
là độ sâu hội tụ.
Sau khi thế (2.29) ÷(2.33) vào (2.27) chúng ta có phân bố cường độ laser theo tọa
2
2
Λ
π
ρ
1
2
=
−
độ không gian (ρ,z) như sau:
I
ρ ( , ) z
exp
L
2
2
2
λ
P 0 2 f
4
+
+
1
0,7
2
2
0,7
f
0,7
f
z πλ 2 Λ
1
z πλ 2 Λ
2 λ f Λ
(2.34)
Sử dụng các tham số đã chọn trên, phân bố cường độ laser trên tiêu diện, tức là
30
tại tọa độ z=0 được trình bày trong Hình 2.10.
y (µm)
0 I / ) y
,
x ( I
y (µm)
x (µm)
x (µm)
a b
Hình 2.10 Phân bố cường độ laser trên tiêu diện (z=f):
a) Dạng phân bố,
b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y).
n =
=
M
Với các tham số:
6 350.10
4, 0
− 11 1,68.10
2 m W /
sF
2
=
d
115
5500 /
=
I
7 8.10 W /
m
mµ
m s ,
= Hz , ; ,
s
=sV
. [18] ,
Sử dụng phân bố cường độ laser (2.34) chúng ta có thể tính quang lực tác động
lên vi hạt nhúng trong chất lưu tại các mặt phẳng bất kỳ và trên tiêu diện thấu kính
2.3.5 Quang lực gradient dọc và ngang
f>> (hình 2.8 chiết suất mn . Trong chất lưu lơ lửng các vi cầu bán kính a và
cld
n
n> m
h
Giả thiết sau môi trường quang - âm là một lớp chất lưu có chiều dày
chiết suất . Sau khi sử dụng phương trình cho quang lực gradient dọc (1.5)
và phương trình cường độ (2.34), chúng ta thu được biểu thức cho quang lực dọc như
31
sau:
1
2 2 ρ
=
−
exp
( ,z) ρ
(cid:1) F rd, g z
(cid:1) 3 2 z n a π m
2
2 m 2 m
d dz
2 Λ π 4
P 0 2 f λ
− 1 + 2
0,7
2
2
f
λ f Λ
2
f
z 0,7 πλ 2 Λ
2
+ 1
2
z + 1 0,7 πλ 2 Λ
1
×
(cid:2) 3 = − 2 z n a π m
2
2 m 2 m
P 0 2 f λ
− 1 + 2
0,7
f
2
πλ 2 Λ
f
22 z + 1 0,7 πλ 2 Λ
22
2 Λ z π 4
1
2 2 ρ
2 2 ρ
−
−
exp
0,7
f λ Λ
2
7
0,
2
2
f
λ f Λ
2
f
z + 1 0,7 πλ 2 Λ
2
2
z + 1 πλ 0,7 2 Λ
=
m n n /h m
(2.35)
trong đó, là tỉ số chiết suất của vi cầu và chất lưu và quang lực ngang
32
như sau:
1
2 2 ρ
=
−
exp
( , ) z ρ
(cid:1) 2 ρ π
ρ
(cid:1) F rd, g
3 n a m
2
2 Λ π 4
2 m 2 m
P d 0 2 d f ρ λ
− 1 + 2
0,7
2
2
f
f λ Λ
2
f
2
z 0,7 πλ 2 Λ
+ 1
2
z + 1 0,7 πλ 2 Λ
1
1
= −
(cid:1) 2 ρ π
3 n a m
2
2 Λ π ρ 4
P 0 2 f λ
− 1 + 2
2 m 2 m
2
2
f
f λ 0,7 Λ
2
f
z 0,7 πλ 2 Λ
2
2
+ 1
z + 1 πλ 0,7 2 Λ
×
2
ρ 2
−
exp
2
0,7
2
f λ Λ
f
2
z + 1 0,7 πλ 2 Λ
0
(2.36)
z = chúng ta nhận được phân bố quang lực ngang tại
Từ (2.36), bằng cách thế
1
2 ρ 2
×
−
ρ ( ,
z
= = − 0)
(cid:1) 2 ρ π
exp
ρ
(cid:1) F rd, g
3 n a m
2
2 m 2 m
P 0 2 λ f
− 1 + 2
tiêu diện như sau:
0,7
0,7
f λ Λ
f λ Λ
2
2
2 Λ π ρ 4
(2.37)
Áp dụng cho trường hợp vi thấu kính được biến điệu trong môi trường Ge33As12Se33
÷
1, 0 14, 0 mµ
với các thông số sau:
)
, - Phổ truyền qua (
n = , 4
−
11
=
M
1, 68.10
2 m W /
- Chiết suất
33
, - Hằng số đáp ứng
6
F
=
Hz
178.10
2
=
7 8.10
W m /
, - Tần số
sI
=
5500 /
m s
- Cường độ trường ,
sV
Λ =
=
31
mµ
/ V F s s
, - Tốc độ sóng âm trong môi trường Ge33As12Se33
=
λ
1,5 m µ
- Bước sóng sóng âm sẽ là ,
m
= P 0 100 W
(nằm trong vùng truyền qua), - Bước sóng laser
1,33
- Công suất trung bình của laser .
mn =
=
=
a
m
nm
1,57
0,05
50
µ
Giả thiết trong môi trường nước (có chiết suất ) lơ lửng các vi hạt
hn =
)
N
( c ọ d c ự
l g n a u Q
ρ (µm)
z (mm)
polystyrene bán kính và chiết suất .
Hình 2.11 Phân bố quang lực dọc trên mặt phẳng pha (z,ρ).
n =
=
M
=
a
Với các tham số:
6 350.10
4, 0
− 11 1,68.10
2 m W /
0,05
mµ
sF
2
− 5
=
d
115
5500 /
=
I
7 8.10 W /
m
mµ
m s ,
= Hz , , ;
s
=sV
= P 0 1.10 W
. [18] ,
Sử dụng các tham số đã cho ở trên, phân bố quang lực dọc trong mặt phẳng
34
(z,ρ) được trình bày trên hình 2.11. Từ hình 2.11 chúng ta nhận thấy rằng:
i) Trên mặt phẳng tại một giá trị z xác định, quang lực dọc gần như không
thay đổi theo bán kính hướng tâm, nhưng giá tị này sẽ giảm rất nhanh khi
mặt phẳng này tiến đến tiêu điểm.
ii) Giá trị của quang lực dọc lớn nhất trong vùng này khoảng 550pN .
Cùng với các tham số đã cho như trên, phân bố quang lực ngang trên mặt
)
N
( g n a g n c ự
l g n a u Q
z (mm)
ρ (µm)
phẳng pha (ρ,z) được tính toán và trình bày trong hình 2.12.
n =
=
M
=
a
Hình 2.12 Phân bố quang lực ngang trên mặt phẳng pha (ρ,z). Với các tham số:
6 350.10
4, 0
− 11 1,68.10
2 m W /
0,05
mµ
sF
2
− 5
=
d
115
5500 /
=
I
7 8.10 W /
m
mµ
= Hz , , ;
m s ,
s
=sV
= P 0 1.10 W
, , . [18]
Từ hình 2.12 chúng có có nhận xét sau:
i) Trong vùng lân cận tiêu điểm, quang lực ngang luôn luôn đối ngẫu và
không xuất hiện giá trị cực đại. Điều này hoàn toàn có thể giải thích
35
dựa trên phân bố cường độ trong hình 2.10.
ii)
Trong vùng lân cận trục chùm laser, quang lực ngang đạt giá trị khoảng 1pN.
Từ hình 2.11 và 2.12, chúng ta thấy rằng chùm laser có công suất trung bình
không đổi được hội tụ vởi vi thấu kính sẽ tác động lên vi hạt một quang lực dọc lớn
hơn 100 lần so với quang lực ngang. Điều này hoàn toàn hợp lý vì chúng ta biết
rằng lực tác động lên vi hạt phụ thuộc vào gradient của cường độ laser. Gradient
cường độ càng lớn thì quang lực càng lớn. Do đó, sự chênh lệch giữa quang lực
ngang và quang lực dọc có thể giải thích thông qua phân bố không gian của cường
độ laser. Về hiện tượng luận, chúng ta biết rằng, sau khi hội tụ, cường độ chùm tia
trên trục dọc tại một tọa độ ngang nhất định sẽ giảm rất nhanh khi tọa độ dọc tăng.
Như vậy, cùng một giá trị của công suất laser, quang lực dọc tác động vào vi
hạt có kích thước xác định sẽ lớn hơn nhiều so với quang lực ngang.
Kết luận
Dựa vào lý thuyết nhiễu xạ qua thấu kính, biểu thức phân bố cường độ trong
không gian, trên trục chùm tia giới hạn từ mặt phẳng chính đến mặt phẳng tiêu diện
và trên mặt cắt chùm tia giới hạn trong đĩa Airy trung tâm đã được dẫn ra. Từ đó, đã
dẫn ra biểu thức quang lực dọc và quang lực ngang tác động lên vi hạt nhúng trong
=
m
P
chất lưu. Áp dụng cho hạt cầu polystyrene, phân bố quang lực ngang và dọc đã
=
a
0,05
mµ
quang lực được khảo sát. Kết quả cho thấy với công suất laser khoảng 0 100 W
dọc tác động lên vi cầu polystyrene kích thước là khoảng 100 pN và
∼
10
N− 20
quang lực ngang khoảng 1 pN. Các giá trị này lớn hơn nhiều so với lực Brown
BrownF
( ). Do đó, có thể khẳng định mảng kìm quang học sử dụng vi thấu
kính biến điệu quang -âm với các tham số đã khảo sát trên đảm bảo có thể giam giữ
các vi cầu (polystyrene) tại tâm kìm, nghĩa là các vi hạt sẽ bị giam tại tiêu điểm của
chùm tia laser.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu, các vi cầu này cần phải được di chuyển trong
không gian với nhiều mục đích khác nhau như tạo phản ứng hóa học, tăng nồng độ
vi hạt, kéo căng các phân tử ADN, ... Để di chuyển được các vi hạt này trong không
gian cần phải có phương pháp để thay đổi và kiểm soát được tiêu điểm chùm tia
laser, nghĩa là phải có phương pháp điều khiển vi hạt được bẫy tới các vị trí mong
36
muốn trong không gian. Vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 3.
Chương 3: ĐIỀU KHIỂN VI HẠT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI
TẦN SỐ SÓNG ÂM
Λ =
/
M b= Λ , a và b là kích thước mặt vật liệu quang-âm,
3.1. Gán nhãn cho các kìm đơn Mẫu kìm quang-âm đã trình bày trong hình 2.7. Sử dụng chung một nguồn âm, khi N a= Λ và / đó sẽ hình thành mảng N×M vi thấu kính (hình 3.1), trong đó
V F /s s
sF là tần số và
sV là vận tốc sóng âm.
, là bước sóng,
Hình 3.1 Mảng các vi thấu kính gắn nhãn Tij trong mặt phẳng (X,Y)
( Direction X: Theo trục X; Direction Y: Theo trục Y)
Sau khi được chiếu bởi chùm laser với cường độ phẳng đều trên tiết diện ngang, các
vi thấu kính sẽ trở thành mảng kìm quang học bao gồm nhiều kìm đơn phân bố chu
ij
)
,
trong chất lưu tại tâm của nó. Mỗi kìm đơn được gắn với một nhãn kỳ theo hai trục vuông góc với nhau. Mỗi kìm đơn có thể sử dụng để bẫy vi hạt T tương ứng
x y (xem Hình 3.1) trong mặt phẳng 2D vuông góc với i
j
với vi hạt bẫy có tọa độ (
37
trục chùm tia laser (tham khảo Hình 2.8).
)
,
3.2. Tọa độ hạt bẫy trong không gian Như đã chỉ ra trong công trình [10], tọa độ (
x y của tâm mỗi kìm đơn có nhãn i
j
T trong mặt phẳng tiêu của vi thấu kính có phân bố theo chu kỳ. Trong mặt phẳng
ij
)
,
x y được tính bằng khoảng cách từ trục tọa độ xác định như sau i
j
đó, tọa độ (
=
− 0,5 5(
)
1)
/ ϕ π
+ − ( i
[
]
x i
≡
T ij
, x y i
j
(xem hình 3.2):
(
)
=
+
−
− 0,5 5(
)
(
1)
y
/ ϕ π
j
[
]
j
⇔
V s F s V s F s
(3.1)
trong đó, ϕ là pha ban đầu của sóng âm, i và j là thứ tự xuất hiện của kìm đơn trên
trục x và y tương ứng được tính từ gốc tọa độ (0,0) như trong hình 3.1. Trong khi
đó, tọa độ z của tâm kìm đơn chính là tọa độ của tiêu điểm, xác định bằng tiêu cự
của kìm đơn. Tiêu cự được xác định theo công thức (2.15) và được tường minh hóa
=
f
như sau [17]:
32
gV s 2 I
4 V s 2 3 d n Fγ s
s
, )
,
(3.2)
x y z của các i
j
Giả thiết rằng các hạt được bẫy tại tâm mỗi kìm đơn, do đó tọa độ (
vi hạt trong không gian 3D của chất lưu (xem hình 3.2) được xác định theo các
=
− 0,5 5(
)
1)
/ ϕ π
+ − ( i
x i
[
]
V s F s
=
− 0,5 5(
)
1)
/ ϕ π
+ − ( i
y i
[
]
V s F s
phương trình sau:
32
gV s 2 I
4 V s 3 2 γ d n F s
s
= z
38
(3.3)
Từ hệ phương trình (3.3) có thể thấy rằng, đối với một mảng kìm quang-âm đã thiết kế, thì các thông số thiết kế như g , n , d ,
sV và γ được cho trước, khi đó,
sF và pha ban đầu
ϕ của sóng âm.
tọa độ của các vi hạt bẫy chỉ phụ thuộc vào cường độ sI , tần số
Hình 3.2 Vị trí của vi hạt bẫy trong không gian chất lưu
Dựa vào hệ phương trình (3.3) chúng ta có thể đề xuất các phương án điều khiển
vi hạt trong không gian chất lưu như sau:
1. Điều khiển vi hạt chuyển động theo đường thẳng trên tiêu diện (2D) chùm
laser bằng cách thay đổi pha ban đầu và giữ nguyên tần số và cường độ sóng
âm;
=
const
2 I F s s
2. Điều khiển vi hạt chuyển động theo đường thẳng trên tiêu diện chùm laser
bằng cách thay đổi tần số, giữ nguyên pha ban đầu và tích ;
3. Điều khiển vi hạt chuyển động trên quỹ đạo cong trong không gian của chất
lưu (3D) bằng cách thay đổi tần số và giữ nguyên cường độ và pha ban đầu
của sóng âm;
4. Điều khiển vi hạt chuyển động dọc trục chùm tia laser (1D) khi thay đổi
39
cường độ laser và giữ nguyên tần số và pha ban đầu của sóng âm.
Bốn khả năng trên chính là điểm nổi bật so với các phương pháp trước là phải
thay đổi ít nhất hai thông số, bằng hệ Galvo quang, thay đổi khoảng cách giữa các
linh kiện quang [4-6] hay thay đổi cường độ hai laser [7].
3.3 Mô phỏng quỹ đạo của các hạt bẫy trong quá trình điều khiển
Nhằm mục đích áp dụng nghiên cứu này vào thực tế, chúng ta khảo sát bằng số
các quỹ đạo của vi hạt cụ thể được bẫy và điều khiển trong một mảng kìm quang-
âm cụ thể.
Trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm, chúng ta giả thiết mảng bẫy quang-âm được thiết
=
=
/
− 11 × 1.68 10
=
5500 /
m s
γ
2 / m W
2 6 3 M n gV s s
sV
kế bằng tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 [11]. Các thông số công nghệ của vật
4n = [12]. Để lớp vật
, , liệu này như sau:
= ×
d
m− 4
2 10
liệu này có thể trở thành mảng vi thấu kính sau khi biến điệu, chúng ta chọn độ dày
=
7 2 × 8.0 10 W m /
sI
sao cho điều kiện thấu kính mỏng thỏa mãn [17]. Lớp vật của vật liệu
liệu mỏng này được biến điệu bởi nguồn sóng âm có cường độ và
= −
0
ϕ
0.2 π
÷ . Bằng cách điều khiển tín hiệu điện cấp sao cho tần số nguồn
tinh chỉnh sao cho pha ban đầu trước khi truyền qua vật liệu có thể điều chỉnh trong
=
MHz
÷ (200 400)
sF
khoảng
sóng âm có thể thay đổi trong khoảng .
3.3.1 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý pha ban đầu
= −
0
ϕ
0.2 π
Trước tiên, chúng ta tinh chỉnh sao cho pha ban đầu của sóng âm tần số 400MHz
÷ . Kết quả tính số cho ta sự phụ thuộc của tọa độ
thay đổi trong khoảng
x (y) và z của vi hạt bẫy bởi bốn kìm đơn Tij (i=j=1..4) nằm trên đường chéo được
trình bày trên hình 3.3.
0ϕ =
Các đường thẳng trên hình 3.3 cho thấy rằng ban đầu đặt giá trị pha ban đầu bằng
= −
ϕ
0.2 π
không thì vi hạt bẫy bởi kìm đơn T11 sẽ nằm tại tọa độ (6µm, 6µm,9,1µm),
nhưng khi giảm pha ban đầu xuống giá trị , thì nó chuyển đến vị trí (20µm,
40
20µm,9,1µm).
= −
0
ϕ
0.2 π
÷ [23]
Hình 3.3. Thay đổi tọa độ vi hạt (x, y,z) khi thay đổi pha ban đầu
( initial phase: pha ban đầu)
Tương tự như vậy, các vị hạt được bẫy bởi các kìm đơn khác sẽ chuyển động trên
m
m
⇔
m
m
; 6
; 20
T 11
µ m
m ) m
(20 m
m
m
⇒ ⇒
m ⇔
T
(6 µ (19, 75
;9,1
µ )
µ (33, 75
;9,1 ) µ m ;33, 75
;9,1
µ
;9,1 µ ;19, 75 µ
µ
µ
m
m
m
m
m
) m
⇒
⇔
(33, 50
; 33, 50
; 9,1
(47, 50
µ ; 47, 50
µ ; 9,1
)
µ
µ
µ
µ
µ
m
m
) m
m
m
m
⇒
⇔
22 T 33 T
(47, 25
; 47, 25
µ ;9,1
)
(61, 25
; 61, 25
;9,1
).
µ
µ
µ
µ
µ
µ
44
quỹ đạo đường thẳng nối hai điềm đầu và cuối, cụ thể:
Các vi hạt được bẫy bởi các kìm đơn không nằm trên đường chéo sẽ có quỹ đạo
41
khác nhau với điểm đầu và điểm cuối khác nhau như trình bày trên hình 3.4.
Hình 3.4 Quỹ đạo các vi hạt điều khiển bởi kìm đơn không nằm trên đường chéo
[16].
3.3.2 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý tần số
=
7 2 × 8.0 10 W m /
sI
Bây giờ chúng ta cố định cường độ và pha ban đầu của sóng âm tương ứng là
0ϕ = . Tần số sóng âm được điều chỉnh liên tục từ 400MHz xuống
và
200MHz và khảo sát sự thay đổi vị trí của vi hạt bẫy bởi kìm đơn T11 . Trên hình
3.5 là sự phụ thuộc của tọa độ (x=y, z) của vi hạt vào tần số sóng âm. Từ hình 3.5
chúng ta có thể xác định được vị trí của vi hạt trong không gian 3D của chất lưu khi
biết được tần số sóng âm. Ví dụ, khi tần số sóng âm được cố định ở giá trị 275
MHz, thì có thể khẳng định vi hạt đang được giam giữ tại tọa độ
42
(x,y,z)≡(10µm,10µm,18µm) (chấm xanh trên Hình 3.5).
Hình 3.5 Phụ thuộc của tọa độ vi hạt vào tần số sóng âm.[16]
Khi thay đổi tần số liên tục, quỹ đạo của vi hạt bẫy bởi kìm đơn T11 trong không
gian 3D được trình bày trên hình 3.6.
Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động của vi hạt bẫy bởi kìm đơn T11[16]
Như vậy, khi thay đổi tần số từ 400 MHz xuống 200MHz, thì vi hạt bẫy bởi kìm
43
đơn T11 sẽ chuyển dịch từ vị trí ban đầu (6.8µm, 6.8µm,8µm) đến vị trí cuối
(13.7µm, 13.7µm,37µm) trong chất lưu. Quá trình này cũng xẩy ra tương tự đối
với các vi hạt bẫy bởi các kìm đơn khác. Trong hình 3.7 là quỹ đạo của bốn vi hạt
được bẫy và điều khiển bởi bốn kìm đơn T11, T22, T33 và T44.
Hình 3.7 Quỹ đạo của vi hạt bẫy và điều khiển bởi các kìm đơn Tij (i=j) khi thay
đổi tần số từ 400 MHz xuống 200 MHz. [16] .
Như vậy, bằng cách thay đổi tần số, các vi hạt bẫy và điều khiển bởi các đơn kìm
khác nhau sẽ chuyển dịch trên các quỹ đạo khác nhau trong không gian 3D của chất
lưu. Với các thông số thiết kế xác định, vị trí của vi hạt sẽ được xác định trong
không gian. Đây có thể xem là một ưu điểm giúp cho quá trình thực nghiệm điều
khiển và tác động lên vi hạt trong quá trình nghiên cứu. Sau đây là ví dụ quãng
44
đường dịch chuyển của vi hạt phụ thuộc vào tần số (Hình 3.9).
Hình 3.8. Quỹ đạo của các vi hạt bẫy và điều khiển bởi các đơn kìm T1j=1..4 và Ti=1..41
40
35
)
30
25
i
20
15
m µ ( n e y u h c h c d g n o u d
10
g n a u Q
5
0 200
220
240
260
280
320
340
360
380
400
300 Tan so (MHz)
khi thay đổi tần số từ 400MHz xuống 200MHz. [16]
Hình 3.9 Sự phụ thuộc của quãng đường dịch chuyển của vi hạt bẫy bởi một đơn
kìm vào tần số [17].
Từ hình 3.9 có thể khẳng định, nếu một phân tử ADN được gắn với hai vi hạt ở
hai đầu [17], một vi hạt được neo cố định và vi hạt kia được điều khiển bởi một đơn
kìm bất kỳ (hình nhỏ trên bên phải Hình 3.9) thì chiều dài căng của nó có thể thay 45
đổi từ 0 đến 39 µm. Như vậy, kìm quang-âm có thể ứng dụng để khảo sát độ căng
cho bất kỳ một phân tử ADN nào có chiều dài căng tổng nhỏ hơn 39µm [18, 19].
Kết luận Trên cơ sở cấu hình của kìm quang-âm đã đề xuất, hệ phương trình mô tả vị trí
ổn định của vi hạt bẫy bởi các kìm đơn trong mảng kìm quang-âm đã được trình
bày. Sử dụng các số liệu thực nghiệm đã được công bố trong các công trình trước
đây, quỹ đạo của vi hạt bẫy trong không gian 2D, 3D của chất lưu đã được khảo sát
bằng số. Kết quả là một gợi ý tốt cho quá trình ứng dụng mảng kìm quang-âm trong
điều khiển vi hạt. Cũng có thể khẳng định thêm, kết quả nghiên cứu này sẽ tăng
thêm niềm tin rằng có thể điều khiển vi hạt trong không gian 3D chỉ bằng một yếu
46
tố duy nhất đó là tinh chỉnh tần số sóng âm, nếu sử dụng kìm quang-âm.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn đã trình bày tổng quan một số kìm quang học ứng với phương pháp
điều khiển vi hạt trong không gian. Qua phân tích thấy rằng muốn điều khiển vi hạt
ít nhất cần đến hai yếu tố cơ-quang, điện-quang, quang-quang, quang-âm. Trong số
các kìm quang học đó, mảng kìm quang-âm có thể sử dụng để điều khiển vi hạt
bằng một yếu tố hoặc pha ban đầu hoặc tần số sóng âm. Trên cơ sở cấu hình và
nguyên lý hoạt động của mảng kìm quang âm, quá trình điều khiển vi hạt bằng một
tham số thiết kế đã được nghiên cứu và khảo sát số. Kết quả thu được có thể rút gọn
như sau: 1. Đưa ra hệ phương trình mô tả sự phụ thuộc của vị trí vi hạt bẫy trong
không gian chất lưu vào các thông số thiết kế.
Đã khảo sát quỹ đạo của các vi hạt trong không gian 2D của chất lưu 2.
khi thay đổi pha ban đầu của sóng âm và giữ nguyên cường độ và tần số sóng âm,
từ đó rút ra rằng, quỹ đạo của vi hạt là các đường thẳng nằm trong tiêu diện của
chùm laser và mỗi vi hạt bẫy bởi các đơn kìm khác nhau sẽ dịch chuyển độc lập.
Đã khảo sát quỹ đạo của các vi hạt trong không gian 3D của chất lưu 3.
khi thay đổi tần số và giữ nguyên cường độ và pha ban đầu của sóng âm, từ đó cho
thấy quỹ đạo không còn là đường thẳng mà là các đường cong. Từ đó khẳng định
rằng, với tần số xác định hay các thông số thiết kế của kìm xác định trước, vị trí của
vi hạt trong chất lưu có thể xác định được và khoảng cách dịch chuyển của vi hạt
trong chất lưu cũng có thể xác định được khi chênh lệch tần số sóng âm biết trước.
Các kết quả nghiên cứu sẽ là những gợi ý bổ ích cho thực nghiệm kiểm chứng vị
trí của các vi hạt trong không gian và áp dụng kéo căng các phân tử ADN trong
47
nghiên cứu sinh học.
Một phần kết quả nghiên cứu đã được công bố trong công trình [16].
Nguyen Thu Loan, Nguyen Manh Thang, Nguyen Van Thinh, Thai Doan
Thanh, Ho Quang Quy, Control the trapped particles in Acousto-optical tweezers by acoustic frequency, Proc. ASEAN 5th, Publ. House for Science and
48
Technology (2018),ISBN: 978-604-913-714-3, 143-148.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Ashkin, A.: Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys.
Rev. Lett. 24, 156-159 (1970)
2. Honglian, Y.,Xincheng, Y., Zhaolin, L., Bingying, C., Xuehai, H.,Daozhong Z.
(2013): Measurements of displacemant and trapping force on micro-sized
particles in optical tweezer system. Science in China 45, 919- 925.
3. E. R. Dufresne and D. G. Grier (1998), Optical tweezer arrays and optical
substrates created with diffractive optics, Rev. of Scient. Instruments, 69,1974-
1977.
4. European Network of Excellence for Biophotonics, Networking for Better
Health Care, http://WWW.Photonics4life.eu/lavout/set/Consortium/P4L-
DB/All-items/ (2014).
5. Singer, W., Bernet, S., Ritsch-Marte, M.: 3D-force calibration of optical
tweezers for mechanical stimulation of surfactant-releasing lung cells. Laser
Phys. 11, 1217–1223 (2001)
6. Y. Tanaka, H. Kawada, S. Tsutsui, M. Ishikawa, H. Kitajima (2009), “Dynamic
micro-bead arrays using optical tweezers combined with intelligent control
techniques,” Opt. Express 17, 24102-24111.
7. Thai Dinh, T., Doan Quoc, K., Bui Xuan, K., Ho Quang, Q., 3D controlling the
bead linking to DNA molecule in a single-beam nonlinear optical tweezers,
Opt. Quant Electron.48 (2016) 561.
8. Thinh N. V., Quy H. Q., Optical Trap 2D Array by Acoustic Modulation, J. of
Physical Science and Applications, Vol. 4, (2014), 420-425.
9. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, Ultrasonic-Controled
Microlens Arrays in Germanium for Optical Tweezers to Sieve the Micro-
particles, Communications in Physics, Vol.25, No.2, 2015, pp. 157-163. 10. Hồ Quang Quý, Đoàn Hoài Sơn, Chu Văn Lanh, Nhập môn bẫy quang học,
NXB ĐHQG Hà Nội, 2011.
11. Nguyễn Văn Thịnh, Mảng kìm quang học biến điệu quang âm, LA TS, Vinh
49
University, 2017.
12. Hoàng Văn Nam, Phân bố lực trong không gian của kìm quang học Kerr sử
dụng chùm tia laser Gauss. Viện KH-CNQS: LATS, 2015.
13. Thai Dinh Trung, Bui Xuan Kien, Nguyen Thanh Tung, Ho Quang Quy,
Dynamics of polystyrene beads linking to DNA molecules under single optical
tweezers: A numerical study using full normalized Langevin equation, J. of
Nonlinear Optical Physics & Materials 25, No. 4 (2016) 1650054.
14. Beck, M.M. de Lima, and P.V. Santos, Acousto-optical multiple interference
devices, J. Of Appl. Physics 103, 014505-1-7 (2008).
15. E. A. Saleh, and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, A Wiley-Interscience
Publication, 1991.
16. Nguyen Thu Loan, Nguyen Manh Thang, Nguyen Van Thinh, Thai Doan
Thanh, Ho Quang Quy, Control the trapped particles in Acousto-optical tweezers by acoustic frequency, Proc. ASEAN 5th, Publ. House for Science and
Technology (2018),ISBN: 978-604-913-714-3, 143-148.
17. Thanh Thai Doan, Khoa Doan Quoc, Quy Ho Quang, Acousto-optical tweezers
for stretch of DNA molecule, Opt Quant Electron (2018) 50:51.
18. C. G. Baumann, V. A. Bloomfield, S. B. Smith,C. Bustamante,M. D. Wang,and S. M. Block, Stretching of Single Collapsed DNA Molecules, Biophysical Journal, 78 (2000) 1965–1978.
50
19. G. Sitters, D. Kamsma, G. Thalhammer, M. Ritsch-Marte, E.J G spectroscopy, Nature force Peterman, and G.J. L. Wuite, Acoustic Methods 12, (2015) 47–50.
