Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều bằng kìm quang-âm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều bằng kìm quang-âm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THU LOAN ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG KÌM QUANG -ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thái Nguyên-2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THU LOAN ĐIỀU KHIỂN VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU BẰNG KÌM QUANG -ÂM Chuyên ngành: Quang học Mã số: 844.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Mạnh Thắng Thái Nguyên-2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Mạnh Thắng. Các kết quả trong luận văn là trung thực chưa có trong các luận văn khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Loan i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Mạnh Thắng, người Thầy đã hướng dẫn tận tình và động viên bản thân tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn với tinh thần đầy trách nhiệm. Thầy đã giúp tôi nâng cao kiến thức, nghị lực, phát huy được sáng tạo và hoàn thành tốt luận văn. Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến quí Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý Trường Đại học Thái Nguyên - Đại học Khoa học đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận văn, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. ii
MỤC LỤC Mở đầu......................................................................................................... ......... ......1 Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN..... .......... .......3 1.1 Quang lực…………………………………………………………… ............. ….3 1.2 Bẫy quang học……………………………………………………............. …….8 1.3 Kìm quang học (KQH) .......................................................................................... 9 1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder ............................................ 9 1.3.2. KQH theo nguyên lý khúc xạ quang- âm ........................................................ 10 1.3.3. KQH kết hợp nguyên lý quang-âm và quay Galvo ......................................... 11 1.3.4. KQH theo nguyên lý kết hợp thông minh ........................................................ 12 1.3.5 KQH phi tuyến.................................................................................................. 13 1.4. Kết luận .............................................................................................................. 15 Chương 2:CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG-ÂM .......................... 16 2.1. Biến điệu quang âm ............................................................................................ 16 2.2 Cấu hình mảng vi thấu kính biến điệu quang âm ................................................ 18 2.3. Cấu hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang-âm24 2.3.1. Mô hình ........................................................................................................... 24 2.3.2. Tiêu cự vi thấu kính ......................................................................................... 26 2.3.3 Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính ............................................................. 26 2.3.4. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính ........................................ 27 2.3.5 Quang lực gradient dọc và ngang .................................................................... 31 2.4. Kết luận .............................................................................................................. 36 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN VI HẠT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ SÓNG ÂM378 3.1. Gán nhãn cho các kìm đơn ............................................................................... 378 3.2. Tọa độ hạt bẫy trong không gian ..................................................................... 389 3.3 Mô phỏng quỹ đạo của các hạt bẫy trong quá trình điều khiển .......................... 40 3.3.1 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý pha ban đầu ............................. 40 3.3.2 Điều khiển vi hạt bằng phương pháp quản lý tần số ....................................... 42 3.4. Kết luận .............................................................................................................. 46 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 478 Một phần kết quả nghiên cứu đã được công bố trong công trình......... ......... ......... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 4950 iii
Ký hiệu và thuật ngữ viết tắt Viết tắt Giải thích nghĩa Giải thích nghĩa Intelligently Control Optical Mảng kìm quang học thông minh. ICOT Tweezers AOD Acousto - Optical Deflector Linh kiện phản xạ quang - âm. NA Numerical Aperture Khẩu độ số. IOT Interferometric Optical Trap Mảng kìm giao thoa quang. Ký hiệu Ý nghĩa, đơn vị F , Fgrad , Quang lực; Lực gradient; Lực tán xạ (N) Ftx Fs Tần số sóng âm (Hz) I, I0 Cường độ laser (W/m2) Is Cường độ sóng âm (W/m2) M Hằng số đáp ứng (m2/W) N Số photon NA Khẩu độ số P, P0 Công suất (W) S0 Biên độ sóng âm (V/m) Vs Vận tốc sóng âm (m/s) c Vận tốc ánh sáng (m/s) d Độ dày môi trường (m) f Quang lực của một photon (N) fa Tần số ánh sáng (Hz) f, f1, f2 Tiêu cự thấu kính (m) K Số sóng (1/m) m Tỉ số chiết suất n, nh, nm Chiết suất Xung lượng của photon (kg.m/s) p iv
Véc tơ tọa độ không gian r T Thời gian (t) w, w0 Bán kính vết chùm tia và thắt chùm (m) z0 Độ dài Rayleigh (m) Λ Bước sóng sóng âm (m) α Tiết diện tán xạ (m.s) Ω Tần số góc(rad/s) Λ Bước sóng laser (m) ℏ Hằng số Plank (Js) φx , φ y Pha ban đầu của hai sóng theo chiều x,y v
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình vẽ Hình vẽ Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản Hình 2.5 :Phân bố chiết suất trong diện xạ tích Λ× Λ Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí Hình 2.6 :M ô hình mảng kìm quang học hạt tương đối với tiêu điểm. sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang – âm Hình 1.3 Lực gradient của chùm Hình 2.7 Mảng kìm quang học trong chất Gauss. lưu chứa vi hạt Hình 1.4. Chùm Gauss bẫy hạt Hình 2.8. Cấu hình kìm quang học sử dụng một vi thấu kính Hình 1.5 Cấu hình tối thiểu của bẫy Hình 2.9 Phân bố cường độ trong đĩa quang học Airy Hình 1.6. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy Hình 2.10 Phân bố cường độ laser trên quang học tiêu diện (z=f) Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOT Hình 2.11 Phân bố quang lực dọc trên mặt phẳng pha (z,ρ) Hình 1.8 Kìm quang học AOD Hình 2.12 Phân bố quang lực ngang trên mặt phẳng pha (ρ,z) Hình 1.9 Kìm quang học sử dụng bộ Hình 3.1 Mảng các vi thấu kính gắn nhãn quét tia Galvo Tij Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOT Hình 3.2 Vị trí của vi hạt bẫy trong không gian chất lưu Hình 1.11 Kìm quang học phi tuyến Hình 3.3. Thay đổi tọa độ vi hạt (x, y,z) ứng dụng điều khiển 3D khi thay đổi pha ban đầu ϕ = −0.2π ÷ 0 Hình 1.12. Sự phụ thuộc của vị trí cân Hình 3.4 Quỹ đạo các vi hạt điều khiển bằng dọc trục vào công suất laser bởi kìm đơn không nằm trên đường chéo Hình 2.1. Phân bố chiết suất VLQA Hình 3.5 Phụ thuộc của tọa độ vi hạt vào tần số sóng âm. Hình 2.2 Khúc xạ Bragg của tạo bởi Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động của vi hạt bẫy bởi kìm đơn T11 sóng âm trong môi trường quang-âm Hình 2.3 Cấu tạo của bộ biến điệu Hình 3.7 Quỹ đạo của vi hạt bẫy và điều quang - âm bằng hai sóng âm khiển bởi các kìm đơn Tij nhìn từ trên xuống theo trục z Hình 2.4 Phân bố chiết suất của tinh Hình 3.8 Quỹ đạo của các vi hạt khi thay thể Ge33As12Se33 trong mặt phẳng đổi tần số từ 400MHz xuống 200MHz. (X,Y) Hình 3.9 Sự phụ thuộc của quãng đường dịch chuyển của vi hạt bẫy bởi một đơn kìm vào tần số vi
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 tưởng điều khiển vi hạt trong không gian 3D bởi 1một yếu tố hoặc tần số hoặc 1
cường độ sóng âm. Nội dung đề xuất và hiện thực hóa ý tưởng trên được trình bày trong luận văn có tựa đề: “Điều khiển vi hạt trong không gian ba chiều bằng kìm quang-âm.” 2. Mục đích nghiên cứu Khẳng định sử dụng kìm quang-âm có thể điều khiển vi hạt trong không gian bằng cách thay đổi tinh tế các tham số sóng âm. 3. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về kìm quang học và phương pháp điều khiển vi hạt, tập trung nghiên cứu cấu hình, lý thuyết cơ bản của kìm quang-âm và các phương pháp điều khiển vi hạt bằng kìm quang-âm, cụ thể thay đổi pha ban đầu và tần số sóng âm. 4. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính luận văn được cấu trúc trong ba chương như sau: Chương 1: Tổng quan về kìm quang học và các phương pháp điều khiển liên quan. Chương 2: Cấu hình kìm quang học quang-âm và các đặc trưng cơ bản. Chương 3: Phương pháp điều khiển vi hạt trong không gian. 2
Chương 1: KÌM QUANG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Quang lực Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin lần đầu tiên khẳng định có thể sử dụng áp suất bức xạ vùng ánh sáng để tăng tốc và giam giữ các hạt [1]. Xét trong vùng quang học, một phôtôn luôn có xung lượng: p = ℏk (1.1) trong đó, ℏ = h / 2π ≈ 1.05475 × 10−34 J .s / rad là hằng số Planck, k là véc tơ sóng với số sóng k = 2π / λ . Giả sử rằng một chùm ánh sáng đơn sắc tuyệt đối gồm nhiều phô tôn có xung lượng như nhau chiếu vào một vi cầu, khi đó, một số phản xạ trên mặt, số còn lại sẽ khúc xạ hai lần giữa môi trường ngoài và vi cầu (Hình 1.1). a b Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu vào vi hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường (nh>nm). 3
a b c Hình 1.2 Hướng lực tương ứng vị trí hạt tương đối với tiêu điểm. 4
Qua các quá trình đó, xung lượng của phô tôn bị thay đổi, lượng thay đổi đó sẽ truyền cho vi hạt [1]: (1.2) ∆p = pin − pout = Ph Sau khi nhận được xung lượng từ phô tôn, vi hạt có xung lượng Ph . Như vậy, vi hạt sẽ nhận được xung lượng từ hai quá trình trên. Theo định luật 2 Newton, nếu vi hạt nhận được xung lượng đó trong thời gian ∆t thì nó chịu một quang lực F = P / ∆t 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 khúc xạ xác định như sau: px Phpx kx Phkx F = ,F = (1.3) ∆t ∆t Kết quả vi cầu sẽ chuyển động theo hướng lực tổng hợp. Nếu vi hạt được chiếu bởi một laser hội tụ, khi đó hướng lực do khúc xạ tác động lên vi hạt được sẽ thay đổi phụ thuộc vào vị trí của tâm hạt tương ứng với tiêu điểm như trên Hình 1.2. N ∆P F∼ (1.4) ∆t trong đó, N là số photon tác động lên vi hạt. Trong cả ba trường hợp, lực tổng hợp FT = Fa + Fb đều có hướng từ tâm hạt tới tiêu điểm. Điều này có nghĩa là vi hạt luôn luôn bị kéo vào tiêu điểm của một chùm laser, nếu tiêu điểm nằm trong không gian chiếm giữ của vi hạt. Trong trường hợp tiêu điểm không nằm trong không gian chiếm giữ của vi hạt, nhưng vi hạt vẫn bị chiếu bởi chùm laser thì quang lực vẫn tác động lên nó, tuy hướng lực tổng động phụ thuộc vào cường độ lực thành phần. Hướng nào cường độ laser lớn, tức là mật độ phô tôn lớn, quang lực tác động lên vi hạt sẽ lớn. Tổng hợp lực của chùm tia có phân bố gradient cường độ gọi là lực gradient (Hình 1.3). 5
Hình 1.3 Lực gradient của chùm Gauss. Dựa vào hướng tương tác của các lực tác động lên vi hạt của các tia laser thành phần trong chùm laser đã trình bày trên, có thể khẳng định một chùm laser hội tụ mạnh có thể giam giữ vi hạt tại tiêu điểm. Hay nói cách khác, một chùm tia có cường độ phân bố không gian theo hàm Gauss, hay gọi là chùm Gauss có thể bẫy vi hạt có tỉ số chiết suất m = nh / nm > 1 so với chiết suất môi trường xung quanh tại tâm thắt chùm, trường hợp ngược lại, một chùm laser hollow-Gauss có thể giữ vi hạt có tỉ số chiết suất m = nh / nm < 1 tại tâm (Hình 1.4) [10]. Như vậy, một chùm laser có gradient cường độ trong không gian sẽ tác động lên vi hạt hai lực, lực tán xạ hình thành do hiện tượng tán xạ tia sáng trên mặt vi hạt (trong trường hợp kích đường kính vi hạt lớn hơn bước sóng laser thì gọi là lực phản xạ) đẩy vi hạt chuyển động theo chiều truyền lan của laser và lực gradient hình thành do biến đổi cường độ ánh sáng trong không gian kéo vi hạt vào vùng có cường độ cao [10]. Độ lớn của các lực này phụ thuộc vào cấu hình chùm tia, thông số của vi hạt và môi trường. Dựa vào tương quan giữa bước sóng laser (λ) và bán kính của vi hạt (a), quang lực được xét trong các chế độ khác nhau. Quang lực được xét trong chế độ quang hình nếu a > λ , Mie nếu a ∼ λ hay Rayleigh nếu a < λ với những sai số khác nhau. Trong chế độ Rayleigh, lực gradient dọc Fgrad , z và ngang Fgrad , ρ tác động lên vi hạt được xác định như sau [1]: Fgrad , z = σ∇ z I ; Fgrad , ρ = σ∇ ρ I (1.5) 6
m2 − 1 trong đó, I là cường độ laser, σ = 4π nm2 ε 0 a3 là hệ số phân cực của vi cầu, z m2 + 2 là tọa độ dọc trục chùm tia laser, ρ là tọa độ hướng tâm trên mặt cắt ngang của chùm tia laser. a b Hình 1.4. a: Chùm Gauss bẫy hạt với m>1; b: Chùm hollow- Gauss bẫy hạt với m1). 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 kìm quang học trong thực nghiệm được thiết kế như trong Hình 1.6. 8
Hình 1.6. Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm. 1.3 Kìm quang học (KQH) 1.3.1 KQH theo nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder Với cấu hình như trong Hình 1.6, chúng ta thấy bẫy quang học chỉ có một chức năng duy nhất là giam giữ vi hạt tại tâm bẫy, phục vụ cho mục đích khảo sát tĩnh đối tượng cần nghiên cứu. Trong trường hợp khảo sát động, cần di chuyển vi hạt đến một vị trí khác trong không gian chất lưu thì cấu Hình 1.6 không thể sử dụng, do đó cấu hình linh động hơn được thiết kế và khái niệm kìm quang học ra đời. Đến nay đã có một số mẫu kìm quang học khác nhau được đặt tên dựa vào phương pháp điều khiển vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học điều khiển một chiều (1D) sử dụng hiệu ứng giao thoa được McDonald và cộng sự đề xuất vào năm 2011. Chùm tia laser TEM00 trước khi đưa vào hệ vi thấu kính được chia thành hai chùm con nhờ bộ chia kiểu giao thoa kế Mach-Zehnder (Hình 1.7). 9
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
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 điều khiển, tiêu điểm của chùm laser quét dò tìm vi hạt trên mặt mẫu (MM). Sau khi 11
đã bẫy được vi hạt, cũng bằng nhờ hệ Galvo, mà vi hạt bẫy được điều khiển đến vị trí mong muốn. 1.3.4. KQH theo nguyên lý kết hợp thông minh Tuy nhiên, sử dụng phương pháp quét tia chỉ có thể điều khiển vi hạt trong không gian 2D ứng dụng cho việc khảo sát đối tượng trên mặt mẫu song song với tiết diện ngang của chùm laser. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để có thể điều khiển vi hạt được nhúng sâu trong chất lưu dọc trục chùm tia? Nhằm thỏa mãn yêu cầu này, Tanaka và cộng sự đã kết hợp giữa hệ Galvo và hệ Telescope mở rộng chùm tia được điều khiển bởi máy tính. Cấu hình kìm quang học điều khiển thông minh (ICOT) ra đời. Cấu tạo của ICOT được trình bày trên hình 1.10. Khác với kìm quang học điều khiển 2D, trong cấu hình này, một hệ telescope gồm ba thấu kính L1, L2 và L3 đặt trên đường truyền của chùm laser. Nhờ máy tính, khoảng cách giữa L1 và L2 thay đổi, tức là thay đổi tiêu cự chung của hệ thấu kính L1và L2. Nhờ đó, tiêu điểm trước L3 dịch chuyển trên trục chùm tia, kết quả vết hội tụ của chùm tia sau hệ vi thấu kính cũng thay đổi theo. Như vậy, kết hợp với máy tính, vi hạt được điều khiển trong không gian 3D bằng ICOT. Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOT [6] Tuy nhiên, trong thực tế, Tanaka và cộng sự chỉ có thể điều khiển các vi hạt dịch chuyển theo trục laser một khoảng nhỏ hơn đường kính của vi hạt, do đó, có thể nói ICOT chỉ có thể điều khiển vi hạt trong không gian 2,5D. Hạn chế trong điều khiển theo chiều dọc trục laser ở đây chính là do khẩu độ số của hệ vi thấu 12