BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
NGUYỄN VĂN THỊNH
MẢNG KÌM QUANG HỌC
BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 62.44.01.09
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ
VINH - 2016
A- MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài: Chiết suất của một số môi trường có thể được biến điệu trong
không gian ba chiều bằng cách thay đổi cường độ và tần số sóng âm áp vào. Các
môi trường đó gọi là môi trường quang- âm. Một số môi trường có hệ số quang giảo
lớn như thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể Galium Asenite (GaAs) [25], [50], [86]
hoặc tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 [66] được sử dụng để tạo ra các môi trường
quang-âm. Trong số các vật liệu quang-âm kể trên, tinh thể vô định hình
Ge33As12Se33 có hệ số quang giảo lớn nhất. Tinh thể vô đinh hình Ge33As12Se33
nhận được sau khi cắt bỏ một số một số nguyên tử Se trong thủy tinh Ge33As12Se55
bằng phương pháp laser xung cực nhanh. Nhờ vật liệu quang âm mà mảng kìm
quang học một chiều đã được chế tạo nhằm bẫy và điều khiển các vi hạt trên một
chiều nhất định. Việc bẫy đồng thời và điều khiển nhiều hạt được thực hiện bởi một
số mảng kìm quang học khác nhau được chế tạo dựa trên nguyên lý nhiễu xạ ánh
sáng, sử dụng thiết lái chùm tia laser hay sử dụng mảng vi thấu kính. Tuy nhiên,
các mảng vi thấu kính này có một số nhược điểm như: cần tốc độ quét nhanh, phải
sử dụng hệ cơ học chính xác cao, hay không thể linh động trong không gian ba
chiều (hay còn gọi là mảng cứng). Do đó, vấn đề đặt ra là cần có một mảng kìm
quang học động, có thể điều khiển các vi hạt không thông qua hệ điều khiển cơ học.
Ngoài yếu tố vật liệu quang – âm có hệ số quang giảo lớn, hiện nay các nguồn sóng
siêu âm có cường độ lớn đã được chế tạo. Năm 2002, Kohrmann và cộng sự [93] đã
chế tạo thành công nguồn phát sóng siêu âm bằng ống gốm áp điện. Sóng âm được
hội tụ vào diện tích cho cường độ trung bình lên đến .
Dựa vào kết quả nghiên cứu về nguồn sóng siêu âm của Aristizabal và cộng sự
[10], năm 2011, Kotopoulis đã nghiên cứu thành công nguồn siêu âm có cường độ
lớn bằng tinh thể LiNbO3 [79]. Gần đây, vào năm 2012, Ipatov và
cộng sự đã sử dụng nguồn siêu âm có cường độ lên đến để nghiên cứu
về các lớp vật liệu chống âm [94]. Từ phân tích những nhược điểm của các mảng
kìm quang học cứng trên và dựa vào hai yếu tố môi trường quang - âm và nguồn
1
sóng siêu âm có cường độ lớn, chúng tôi đề xuất một mảng kìm quang học động.
Nội dung nghiên cứu về mảng kìm này được đề cập trong luận án “Mảng kìm quang
học biến điệu quang - âm”.
2. Nội dung nghiên cứu: i) Khảo sát sự hình thành của mảng vi thấu kính trong môi
trường quang - âm biến điệu bằng sóng âm; ii) Khảo sát đánh giá các điều kiện hoạt
động của mảng kìm sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang – âm; iii) Nghiên cứu
quá trình sàng và phương pháp sàng vi hạt trong mảng kìm quang học biến điệu
quang - âm.
3. Mục đích nghiên cứu: Đề xuất mảng kìm quang học sủ dụng mảng vi thấu kính
biến điệu quang-âm, khảo sát các điều kiện xuất hiện vi thấu kính và kìm có thể bẫy
và sàng được các vi hạt.
4. Đối tượng nghiên cứu: Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm và mảng kìm
quang học sử dụng mảng vi thấu kính.
5. Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết và mô phỏng bằng phương pháp
toán và phần mềm máy tính.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: i) Đã đề xuất mô hình lý thuyết mảng
vi thấu kính động (đường kính mở và tiêu cự trong vùng micromet) trong môi trường
quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu bằng hai sóng âm truyền lan vuông góc với nhau với hằng số mảng, đường kính mở, tiêu cự của vi thấu kính có thể thay đổi trong
vùng micromet khi thay đổi tần số sóng âm trong vùng (200500)MHz, cường độ hay đổi trong vùng (1.1048.107)W/m2; ii) Đã phân tích, khảo sát đưa ra bộ tham số cho
thực nghiệm thiết kế một mảng kìm quang học sử dụng tinh thể vô định hình
Ge33As12Se33 biến điệu quang âm có thể bẫy và điều khiển 2D và 3D các vi hạt
polystyrene có kích thước trong vùng (105000)nm nhúng trong nước sử dụng chùm
laser có công suất cực đại 2,5W.
B- NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
Ngoài mở đầu, kết luận, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương sau:
Chương 1: Phân tích đánh giá quá trình phát triển của mảng kìm quang học.
Chương 2: Mảng vi thấu kình biến điệu quang-âm.
Chương 3: Điều kiện hoạt động của màng kìm quang học biến điệu quang âm.
2
Chương 4: Khảo sát các đặc trwung của mảng kìm quang học biến điệu quang-âm.
CHƯƠNG 1
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN
CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC
1.1. Quang lực
Quang lực là áp lực của bức xạ quang học tác động lên vật chất.
1.2. Phân bố quang lực trong không gian
Khi một chùm tia laser chiếu lên vi hạt, nó sẽ được tác động bởi lực gradient
và lực tán xạ có hai dạng quang lực tác động như sau:
(1.5)
Để được quang lực lớn, chùm laser được hội tụ và phân bố cường độ của nó theo
không gian được mô tả bởi hàm Gauss, tức là: ,
, trong đó là độ dài Rayleigh.
1.3. Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của kìm quang học
1.3.1. Cấu hình cơ bản đơn kìm: Chi tiết chính trong cấu hình kìm quang học là vật
kính với khẩu độ số (NA) cao tạo ra
gradient lớn cho chùm tia laser. Vi hạt sẽ
được bẫy tại tâm vết chùm tia (Hình
1.11). Đơn kìm chỉ có thể bẫy được hạt
tại một vị trí không gian nhất định. Để có
thể đồng thời bẫy được nhiều hạt tại các
vị trí không gian khác nhau, chúng ta
3
phải có mảng kìm quang học. Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết cấu tạo kìm quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm.
1.4. Mảng kìm quang học
1.4.1. Mảng kìm quang học sử dụng hệ quét nhanh chùm tia (BQS-Beam Quickly
Scanning): Sử dụng hệ quét chùm tia
(Galvo) điều khiển vết chùm tia trong
không gian hai chiều (2D). Trong khoảng
thời gian nhất định có thể giam giữ được
nhiều vi hạt (Hình 1.12). Hình 1.12 Kìm quang học array sử dụng linh kiện BQS.
1.4.2. Mảng kìm quang học nhiễu xạ (DOT- Diffractiion Optical Tweezers ): Sử
dụng khe nhiễu xạ tạo một chùm laser thành nhiều chùm thành phần khác nhau. Nhờ
hệ telescop, các chùm thành phần được hội tụ và tạo nên mảng kìm quang học hai
chiều.
1.4.3. Mảng kìm quang học giao thoa hai chùm tia (Interference Optical Tweezers)
Sừ dụng giao thoa kế Mach-Zehnder, tạo ra các vết giao thoa của một chùm laser
trong không gian và nhận được mảng kìm quang học một chiều.
1.4.4. Mảng kìm quang học thông minh (ICOT-Inteligent Control Optical Tweezers): Sử
dụng khe nhiễu xạ và hệ quang điều khiển khoảng cách giữa các thấu kính kết hợp
với hệ quét tia có thể bẫy các vi hạt trong không gian ba chiều(3D).
Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo của mảng Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của
4
kìm 2,5D ICOT. MSOT .
1.4.5. Mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính (MSOT): Dùng mảng 2D
vi thấu kính chế tạo sẵn có thể đồng thời bẫy được các vi hạt trên mặt phẳng 2D xác
định (Hình 1.21).
1.4.6. Mảng kìm quang học sử dụng hiệu ứng quang - âm (OAD-Opto-Acoustic
Deflector): Sử dụng môi trường biến điệu quang âm thay cho hệ quét tia cơ học
(Hình 1.22).
a b
Hình 1.22 a) Mảng kìm sử dụng AOD biến điệu quang - âm, b) Vết quét của AOD .
Kết luận chương 1
Từ phân tích các ưu điểm và nhược điểm của chúng, có thể rút ra một số điểm sau:
i) Phương pháp sử dụng linh kiện nhiễu xạ cố định (cứng) và mảng vi thấu kính chế tạo
sẵn sẽ cho mảng kìm quang học cố định, do đó, có thể bẫy đồng thời nhiều vi hạt
nhưng không thể điều khiển được chúng; ii) Phương pháp sử dụng linh kiện quét tia cơ
học hay quang - âm chỉ có thể bẫy được nhiều vi hạt đồng thời với điều kiện tốc độ
quét lớn. Với tốc độ quét hợp lý, phương pháp này chỉ có thể điều khiển được đơn vi
hạt; iii) Ngoài mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính, các mảng kiểu khác
đều khó ổn định do cấu hình quang-cơ phức tạp; iv) Từ những tổng quan đã trình bày,
có thể nói yêu cầu đặt ra trên là vấn đề khoa học và công nghệ còn bỏ ngỏ, cần quan
tâm nghiên cứu. Đây cũng chính là lý do mà chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu.
Dựa trên cơ sở nguyên lý hoạt động của mảng kìm quang học MSOT và AOD ,
đồng thời dựa vào kết quả nghiên cứu khả năng tạo ra được nguồn sóng âm có
cường độ lớn , và hoạt động trong
vùng siêu âm (MHz) và một số vật liệu quang - âm có hệ số quang giảo lớn (SiO2,
GaAs, Ge33As12Se33) chúng tôi đề xuất nghiên cứu về “mảng kìm quang học biến
5
điệu quang - âm”.
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH MẢNG VI THẤU KÍNH BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM
2.1. Phân bố chiết suất của môi trường biến điệu quang - âm một chiều
Giả thiết có một khối chữ nhật môi trường
quang - âm có kích thước (hình 2.1) .
Một số môi trường có hệ số quang giảo lớn
như thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể
Galium Asenite (GaAs) hoặc tinh thể vô định
hình Ge33As12Se33 được sử dụng. Dưới tác
động của sóng âm, độ giãn nén của môi trường
Hình 2.1 Khối môi trường quang - âm biến điệu bởi một nguồn sóng âm (NSA) theo một chiều X. tại tọa độ x và thời gian t sẽ được biểu diễn
như sau:
(2.1)
Độ giãn nén sẽ gây nên sự biến đổi chiết suất tương tự như hiệu ứng
Pockels:
(2.5)
. (2.9)
Áp dụng phương trình (2.9), phân bố chiết suất của tinh thể vô định hình
Ge33As12Se33 với hệ số đáp ứng
, chiết
suất , được biến điệu bởi
sóng âm với cường độ
, vận tốc
, tần số
Hình 2.2 a) Phân bố chiết suất của môi trường quang - âm theo trục x (Λ); b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y).
và truyền
theo trục X được mô phỏng và trình bày trên hình 2.2. Mỗi khối kích thước
6
( ) trở thành khối GRIN (chiết suất phân bố đều từ tâm ra biên trên cạnh ).
2.2. Mô hình biến điệu quang - âm hai chiều
Môi trường quang - âm được biến điệu bởi hai sóng siêu âm truyền lan vuông góc
với nhau được đề xuất như trong hình 2.6. Một khối môi trường có kích thước
. 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 đổi tần Hình 2.6 Cấu tạo của bộ biến điệu quang - âm bằng hai sóng âm nhìn từ trên xuống theo trục z.
số và cường độ sóng vô tuyến.
2.4. Khảo sát phân bố chiết suất 2D trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33
Chúng ta sẽ khảo sát phân bố chiết suất 2D trong tinh thể vô định hình
Ge33As12Se33 . Các tham số quang học của Ge33As12Se33 như sau: Phổ truyền qua
, Chiết suất , Hằng số đáp ứng . Tinh thể
vô định hình Ge33As12Se33 được biến điệu bởi một sóng siêu âm có các tham số sau:
Tần số , Cường độ trường , Tốc độ ,
Sử dụng (2.3), bước sóng của sóng âm là : trong Ge33As12Se33
.
a b d c
Hình 2.7 Phân bố chiết suất của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 trong mặt phẳng
(X,Y) với ,(a), ,(b) và ,(c); d) Sự
7
hình thành mảng chiết suất - vùng chiết suất giống nhau trên mặt phẳng (X,Y).
a d b c
Hình 2.8 a) Phân bố chiết suất trong diện tích và các đường đẳng chiết
với độ lệch pha khác nhau (b) (c) (d)
2.5. Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm
Vì rằng các khối GRIN giống nhau nên nếu với điều kiện lựa chọn phù hợp, mỗi
một khối GRIN trở thành một vi thấu
kính, chúng ta sẽ nhận được một
mảng NN vi thấu kính. Độ dốc của
profile chiết suất tác động đến quang
trình của ánh sáng truyền trong môi
trường. Môi trường có chiết suất
Hình 2.9 Khối GRIN của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang – âm. thay đổi theo profile như trên hình
2.10 được gọi là khối GRIN. Quang trình trong GRIN được mô tả như sau
.
(2.15)
Phương trình (2.15) có nghĩa ánh
sáng truyền qua một khối GRIN (hình
2.11.a) tương đương với truyền qua một
môi trường đồng nhất chiết suất không
đổi độ dày chiết suất (phần bên trái
hình 2.11.b) và một môi trường đồng đại nhất chiết suất không đổi với chiều
8
dày thay đổi theo hàm (phần Hình 2.10 Phân bố chiết suất cực tiểu (đỏ) và cực (xanh) trong hai mặt phẳng khác nhau xoay quanh trục của khối GRIN.
bên phải hình 2.11.b).
Hình 2.11 Mô hình tương đương thấu kính của khối GRIN
a) Quang trình của tia sáng qua khối GRIN n(x,y); b) Quang trình của tia sáng qua khối
chiết suất không đổi n chiều dày d và thấu kính chiết suất không đổi n mặt cong d’(x,y).
Chính phân bố sẽ quyết
định tiêu cự của khối GRIN. Với
mẫu đã khảo sát trong mục 2.4,
tiêu cự vi thấu kính tính theo
quang hình nhận được như sau:
Hình 2.12 Phân bố d’ (x[Λ],y[Λ]) tương đương
(2.18). thấu kính của khối thành phần trong tinh thể vô
định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang – âm. Sau đây chúng tôi tính tiêu cự vi
thấu kính theo nguyên lý dẫn sóng.
2.6. Tiêu cự của vi thấu kính
2.6.1. Tiêu cự cho khối GRIN có phân bố chiết suất có độ dốc cực đại : Để khối
GRIN trở thành thấu kính, chúng ta cần chọn độ dày của nó thỏa mãn điều kiện sau:
(2.32)
Do phân bố chiết suất đối xứng qua trục tâm của khối GRIN, chúng tôi sử dụng
phép gần đúng cận trục để tính tiêu cự cho khối GRIN có độ đốc chiết suất lớn nhất.
(2.36)
9
trong đó, .
2.6.2. Tiêu cự cho khối GRIN có phân bố chiết suất có độ dốc cực tiểu
Bằng phương pháp tính tương tự chúng tôi nhận được biểu thức tiêu cự vi thấu kính
cho khối GRIN có độ dốc chiết suất nhỏ nhất như sau:
(2.44)
So sánh (2.44) với (2.36), chúng ta thấy chênh lệch tiêu cự của hai khối GRIN có
phân bố chiết suất có độ dốc lớn nhất và nhỏ nhất là không đáng kể trong gần đúng
cận trục vì . Do đó, tiêu cự vi thấu kính có thể chọn theo biểu thức (2.36).
Hình 2.19 và 2.20 tương ứng là sự phụ thuộc của tiêu cựu vi thấu kính vào chiều dày
tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 với các tần số và cường độ sóng âm khác nhau.
)
Hình 2.19 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với tần số sóng âm thay đổi cùng các tham số khác: ; ,
)
,
m
m
µ
, .
(
µ
Hình 2.20 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với cường độ sóng âm thay đổi cùng các tham số khác: ; , , .
(
ự
ự
c
c
u
u
Như vậy, chúng ta có thể tạo ra vi thấu kính với tiêu cự có thể thay đổi trong
ê
i
ê
i
T
T
vùng giá trị từ (10200)m khi sử dụng tinh thể Ge33Asi2Se33 có chiều dày thay đổi
trong khoảng (60150)m, sóng âm với tần số hàng trăm MHz và cường độ sóng âm trong hàng chục MW/m2. Kết quả này cũng được so sánh với kết quả tính toán
theo nguyên lý quang hình và cho thấy sự phù hợp có thể chấp nhận được giữa hai
10
phương pháp.
Tuy nhiên, trong thực tế chiều dày của môi trường chỉ có thể xác định ban đầu
(không thể thay đổi trong quá trình hoạt động của kìm), do đó chỉ có thể thay đổi
tần số và cường độ sóng âm để thay đổi tiêu cự, đồng thời thay đổi khẩu độ số của
vi thấu kính cho phù hợp với yêu cầu của một kìm quang học.
Kết luận chương 2
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 và chiết suất giảm liên
tục từ tâm (GRIN). Tâm của các khối czzzách 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, tức là với các tham số của vi thấu kính có thể thay
đổi trong vùng micromet, khác với mảng vi thấu kính tĩnh với các tham số của vi thấu
kính cố định mà Sow và cộng sự đã chế tạo.
Tiêu cự phụ thuộc vào hệ số đáp ứng (M), chiều dày (d) của môi trường.
Biểu thức gần đúng của tiêu cự của các vi thấu kính biến điệu quang- âm cho thấy
quang - âm và có thể điều khiển bằng tần số (Fs) và cường độ (Is) của sóng âm
bằng tín hiệu điện bên ngoài.
Bằng cách thay đổi tần số sóng âm, chu kỳ lặp, đường kính mở của vi thấu
kính thay đổi; đồng thời với thay đổi cường độ sóng âm tiêu cự cũng thay đổi. Khi
đó, mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm trở thành mảng vi thấu kính động.
Tuy nhiên, mảng vi thấu kính động 2D này có thể sử dụng cho kìm quang học
hay không là vấn đề cần nghiên cứu khảo sát cụ thể.
Trong chương 3 chúng tôi sẽ đề xuất mô hình kìm quang học sử dụng mảng vi
thấu kính động 2D. Trên cơ sở mô hình kìm quang học đã đề xuất, khảo sát tìm điều
kiện phù hợp cho khẩu độ số và tính toán phân bố quang lực tác động lên vi hạt
11
nhúng trong chất lưu.
CHƯƠNG 3
ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC
BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM
3.1. Đề xuất mô hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu
quang - âm
Trên cơ sở nguyên lý
hoạt động của mảng kìm
quang học sử dụng mảng
vi thấu kính cơ của Sow
[20], cấu tạo của mảng kìm
quang- âm sử dụng mảng
vi thấu kính động biến điệu
quang - âm được đề xuất
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang - âm. theo sơ đồ như trong hình
3.1. 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. 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 phụ thuộc vào
tiêu cự của vi thấu kính. 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
Hình 3.2 Mảng kìm quang học trong chất
nguồn sóng âm áp vào hai mặt bên lưu chứa vi hạt (tương đương với cấu hình
cạnh của môi trường quang - âm. Sơ sử dụng thấu kính chế tạo sẵn)
đồ cấu tạo rút gọn của mảng kìm
12
quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang - âm được trình bày trong hình 3.2.
3.2. Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính
Khẩu độ số của một thấu kính được xác định gần đúng như sau:
(3.1)
, chiết suất . Sử Môi trường Ge33As12Se33, hệ số đáp ứng
dụng sóng âm có tần số và cường độ vận tốc của nó
trong môi trường Ge33As12Se33 là
. Chúng ta xét trường
hợp môi trường sau mảng vi thấu
kính là nước có chiết suất .
Sự phụ thuộc của khẩu độ số vào tần
số và cường độ sóng âm trên hình 3.4.
Tinh thể GaAs, hệ số đáp
ứng , chiết suất
Hình 3.4 Phụ thuộc của NA vào FS và Is Các tham số: , , , [66], được biến điệu bởi sóng ,
âm có bước sóng và
cường độ .
Với các tham số đã cho trên,
sự phụ thuộc của NA vào độ
dày tinh thể được trình bày
trong hình 3.5 và sự phụ
thuộc của NA vào tần số và
cường độ sóng âm với độ
dày tinh thể được
trình bày trong hình 3.6.
Hình 3.5 Phụ thuộc của khẩu độ số vào độ dày tinh thể GaAs với các tham số: , , , Từ kết quả khảo sát cho
, . hai môi trường quang - âm
trên, chúng ta có thể rút ra bộ tham số cụ thể áp dụng cho việc thiết kế mảng kìm
13
quang học biến điệu quang - âm như sau:
Cho môi trường Ge33As12Se33
(3.3)
và tinh thể GaAs
(3.4)
3.3. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính
Sơ đồ cấu tạo của một vi kìm quang học được trình bày trên hình 3.7.
(3.21)
Hình 3.7 Cấu hình kìm quang học sử dụng một vi thấu kính
Với các tham số đã chọn, phân bố cường độ laser trên mặt phẳng pha (ρ,z), tính
từ mặt phẳng pha đến tiêu cự ( ) và bán kính hướng tâm được
14
trình bày trên hình 3.9.
Hình 3.9 Phân bố cường độ trên mặt phẳng pha (ρ,z). Với các tham số:
; , ,
, , .
3.4. Quang lực gradient dọc và ngang
Từ (3.15), bằng cách thế chúng ta nhận được phân bố quang lực ngang tại
tiêu diện như sau:
(3.24)
Sử dụng (3. 22) và (3.23),
chúng ta khảo sát phân bố
quang lực trong vùng lân cận
trục chùm tia laser tác động lên
hạt polystyrene nhúng trong
nước. Áp dụng cho trường hợp
vi thấu kính được biến điệu
trong môi trường Ge33As12Se33
trên hình 3.11.
Từ hình 3.11 chúng ta nhận Hình 3.11 Phân bố quang lực dọc trên mặt phẳng pha (z,ρ) với các tham số:
; , , thấy rằng:
, , i) Trên mặt phẳng tại
15
. , một giá trị z xác định, quang
lực dọc gần như không thay đổi theo bán kính hướng tâm, nhưng giá trị này sẽ giảm
rất nhanh khi mặt phẳng này tiến đến tiêu cự.
ii) Giá trị của quang lực dọc lớn nhất trong vùng này khoảng 550 pN.
Hình 3.12. Phân bố quang lực ngang trên mặt phăng
pha (ρ,z) với các tham số: ; ,
,
, ,
Cùng với các tham số đã cho, phân bố quang lực ngang đươc trình bày trong hình
3.12. Từ hình 3.12 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 dựa trên phân bố
cường độ trong hình 3.6.
ii) Trong vùng lân cận trục chùm laser, quang lực ngang đạt giá trị khoảng 1pN.
Kết luận chương 3
Kết quả cho thấy với công suất laser khoảng quang lực dọc tác động
lên vi cầu polystyrene kích thước là khoảng 100pN và quang lực ngang
khoảng 1pN. Các giá trị này lớn hơn nhiều so với lực Brown ( ). Do
đó, có thể khẳng định mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu quang -âm
16
với các tham số đã khảo sát trên đủ để giam giữ các vi cầu.
CHƯƠNG 4
KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM
4.1. Nguyên lý sàng 2D
Theo phương trình (2.13) và kết
quả mô phỏng phân bố chiết suất trên
mặt phẳng XY của môi trường
Ge33As12Se33 (hình 4.1), chúng ta thấy
chu kỳ lặp của các vi thấu kính bằng
bước sóng . Tâm của vi thấu kính thứ
nhất nằm giữa diện tích tính từ
gốc tọa độ (hình 4.2), tức là tại tọa độ:
(4.1)
Hình 4.1 Vị trí tâm các vi thấu kính trong môi trường Ge33As12Se33 được biến điệu bởi sóng âm có bước sóng Λ và pha ban đầu bằng φ=0. Bây giờ chúng ta thay đổi pha ban
đầu của hai sóng siêu âm và . Khi đó, tâm của các vi thấu kính sẽ
thay đổi như trên hình 4.3. Tâm của vi thấu kính thứ nhất dịch về gần tâm hơn. Từ
hình 4.3, chúng ta rút ra vị trí tâm của vi thấu kính thứ nhất như sau:
Hình 4.2 Vị trí của vi thấu kính thứ nhất khi pha ban đầu bằng không ( ).
17
(4.2)
a) b)
Hình 4.3 Vị trí của vi thấu kính thứ thất. a) , b) .
Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm cho mảng kìm quang học biến điệu quang -
âm sử dụng môi trường tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 với hệ số đáp ứng
, độ dày môi trường quang - âm , vận tốc sóng âm
sàng trong mặt phẳng (X,Y) ứng với tiêu cự khác nhau được trình
bày trong hình 4.7.
Hình 4.7 Đặc trưng cường độ - tần số cho quá trình sàng khác nhau. trên mặt (X,Y)ứng với tiêu cự vi thấu kính
4.3. Nguyên lý sàng 3D
Bằng cách thay đổi tần số và cường độ sóng âm phù hợp, vi hạt được sàng trong
18
không gian 3D như trên hình 4.9.
Hình 4.9 Lưới sàng 3D của mảng kìm biến điệu quang - âm
trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33.
4.4. Điều kiện công suất laser
Trước tiến chúng ta nhắc lại hai phương trình quang lực dọc và ngang sau:
19
(4.7)
(4.8)
Sử dụng (4.7) chúng ta khảo sát sự phụ thuộc của công suất laser vào bán kính vi
hạt và tần số sóng âm trong quá trình sàng với quang lực dọc xác định như sau:
(4.9)
trong đó,
20
(4.10)
Sử dụng (4.8) chúng ta khảo sát sự phụ thuộc của công suất laser vào bán kính vi
hạt và tần số sóng âm trong quá trình sàng với quang lực ngang xác định như sau:
(4.11)
trong đó,
(4.12)
Như chúng ta biết, để vi hạt chịu tác động của quang lực trong môi trường chất lưu,
quang lực tác động lên nó phải lớn hơn lực Brown. Đối với polystyrene có kích thước cỡ
nanomet nhúng trong nước, lực Brown vào khoảng . Dựa vào kết quả
khảo sát trên hình 3.7 và 3.8 trong chương 3 và giá trị lực Brown, chúng ta tìm điều kiện
để quang lực dọc và ngang lớn hơn giá trị cực tiểu , lớn hơn nhiều so với
lực Brown. Từ điều kiện về quang lực và từ các công thức tính quang lực (3.16) và (3.17)
chúng ta có điều kiện cho công suất bơm như sau:
(4.13)
Giá trị công suất và là giá trị cực tiểu của công suất laser bảo đảm quang
21
lực dọc và ngang lớn hơn giá trị tối thiểu 10-14N với mọi tần số và kích thước của vi
hạt. Với các giả thiết trên, đặc trưng cường độ laser - tần số sóng âm cho quang lực dọc
tác động lên các vi hạt có kích thước khác nhau được trình bày trong hình 4.10.
Hình 4.10 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với các bán kính vi
hạt khác nhau cho quang lực dọc .
Qua hình 4.10, chúng ta nhận thấy:
i) Cường độ laser cần thiết (P0,z,min) càng giảm khi tần số sóng âm cao;
ii) Cường độ laser cần thiết lớn khi kích thước vi hạt nhỏ.
Để có thể sàng trong vùng tần số (200÷500) MHz, cường độ laser lớn hơn
0,018 W là đủ để tạo ra quang lực dọc bẫy các vi hạt có kích thước lớn hơn 10nm
theo trục dọc.
Hình 4.11 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm
22
với các bán kính vi hạt khác nhau cho quang lực ngang .
Cùng với các các tham số đã cho ở trên, đặc trưng cường độ laser tối thiểu - tần
số sóng âm cho quang lực ngang tác động lên các vi hạt có kích thước khác nhau
được trình bày trong hình 4.11.
Từ hình 4.11 chúng ta nhận thấy:
i) Cường độ laser cần thiết (P0,ρ, min) giảm khi tần số sóng âm cao;
ii) Cường độ laser cần thiết tăng khi kích thước vi hạt giảm;
iii) Nếu sàng trong vùng tần số (200÷500) MHz, cường độ laser lớn
hơn là đủ để tạo ra quang lực ngang đủ bẫy các vi hạt có kích thước
lớn hơn 10nm theo trục hướng tâm.
Kết luận chương 4
Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm có thể sử dụng trong việc dò ban
đầu, bẫy và điểu khiển gọi chung là sàng trong không gian 3D bằng phương pháp
điều khiển tần số và pha ban đầu của sóng âm.
Mảng kìm quang học biến điệu quang âm có thể sàng 2D bằng cách điều khiển
pha ban đầu của sóng âm.
Mảng kìm quang học biến điệu siêu âm cũng có thể thực hiện sàng 2D và 3D
bằng điều khiển tần số và cường độ sóng âm phù hợp với nhau.
Trong quá trình sàng, quang lực tác động lên vi hạt thay đổi. Quang lực tác
động lên vi hạt lớn hơn lực Brown chỉ có thể đạt được khi điều khiển công suất laser
phù hợp với tần số và kích thước vi hạt cần bẫy, thông qua các đường đặc trưng công
suất laser -tần số sóng âm, đặc trưng công suất laser- kích thước vi hạt. Mảng kìm
quang học biến điệu quang - âm được đề xuất với các tham số đã chọn sẽ bẫy được
tất cả các vi hạt có kích thước lớn hơn 10nm và sàng trong vùng tần số lớn hơn
23
200MHz khi sử dụng laser công suất trung bình lớn hơn .
KẾT LUẬN CHUNG
- Đã khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên khẩu độ số của vi thấu kính và
tìm bộ tham số bảo đảm điều kiện có thể ứng dụng tạo mảng kìm quang học.
- Đã đề xuất nguyên lý sàng 2D của mảng kìm quang học biến điệu quang - âm
có khả năng sàng trong mặt phẳng 2D
- Đã đề xuất nguyên lý sàng 3D với các trường hợp lựa chọn.
Đã khảo sát ảnh hưởng của tần số cần sàng và kích thước vi hạt cần bẫy vào
công suất trung bình của laser cần sử dụng sao cho thỏa mãn các lực tác động lên vi hạt lớn hơn 10-14N. Đã xác định bộ tham số thiết kế cuối.
Từ những kết quả trên, có thể rút ra những đóng góp mới sau:
1. Đã đề xuất mô hình lý thuyết mảng vi thấu kính động trong môi trường
quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu bằng hai sóng âm truyền lan vuông góc với nhau
với hằng số mảng, đường kính mở, tiêu cự của vi thấu kính có thể thay đổi trong
vùng micromet khi thay đổi tần số sóng âm trong vùng (200500)MHz, cường độ
thay đổi trong vùng (1.1033.103)W/m2.
2. Đã phân tích, khảo sát và đề xuất cho thực nghiệm một mảng kìm quang
học sử dụng tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 hoặc tinh thể bán dẫn GaAs biến
điệu quang âm có thể bẫy và điều khiển 2D và 3D các vi hạt polystyrene có kích
thước trong vùng (105000)nm nhúng trong nước sử dụng chùm laser có công suất
24
cực đại 2,5W.
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, Trapping capability of
microlens 2D array by acoustic modulation, J. of Advances in Physics, Vol.6,
No.2, 2014, pp.1072-1078.
2. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Optical Trap 2D Array by Acoustic
Modulation, J. of Physical Science and Applications, Vol. 4, No. 7, 2014,
pp.420-425.
3. Nguyễn Văn Thịnh, Mảng kìm quang học trong tinh thể GaAs biến điệu bằng
sóng âm, Nghiên cứu KHCNQS, Số 35, 02-2015, 112-120.
4. Nguyễn Văn Thịnh, Chu Văn Biên, Bùi Xuân Kiên, Nguyễn Mạnh Thắng, Lựa
chọn tham số cho mảng kìm quang học trong thủy tinh biến điệu bằng sóng âm,
Nghiên cứu KHCNQS, Số 37, 06-2015, 61-66.
5. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Luu Mai, Microlens focal length
controling for optical tweezer arrays by acousto-optic modulation in
germanium, J. of Advances in Physics, Vol.9, No.2, 2015, pp. 2388-2393.
6. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, Ultrasonic-Controled
Microlens Arrays in Germanium for Optical Tweezers to Sieve the Micro-
25
particles, Communications in Physics, Vol.25, No.2, 2015, pp. 157-163.
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Hồ Quang Quý
Phản biện 1: .........................................................
........................................................
Phản biện 2: .........................................................
........................................................
Phản biện 3: .........................................................
........................................................
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
họp tại Trường Đại học Vinh
vào hồi ……giờ …… phút, ngày tháng năm 2016
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam;
26
- Trung tâm Thông tin - Thư viện Nguyễn Thúc Hào thuộc Trường Đại học Vinh.
