Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH<br /> <br /> NGUYỄN VĂN THỊNH<br /> <br /> MẢNG KÌM QUANG HỌC<br /> BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM<br /> <br /> Chuyên ngành: Quang học<br /> Mã số: 62.44.01.09<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ<br /> <br /> VINH - 2016<br /> <br /> A- MỞ ĐẦU<br /> 1. Lý do chọn đề tài: Chiết suất của một số môi trường có thể được biến điệu trong<br /> không gian ba chiều bằng cách thay đổi cường độ và tần số sóng âm áp vào. Các<br /> môi trường đó gọi là môi trường quang- âm. Một số môi trường có hệ số quang giảo<br /> lớn như thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể Galium Asenite (GaAs) [25], [50], [86]<br /> hoặc tinh thể vô định hình Ge 33As12Se33 [66] được sử dụng để tạo ra các môi trường<br /> quang-âm. Trong số các vật liệu quang-âm kể trên, tinh thể vô định hình<br /> Ge33As12Se33 có hệ số quang giảo lớn nhất. Tinh thể vô đinh hình Ge 33As12Se33<br /> nhận được sau khi cắt bỏ một số một số nguyên tử Se trong thủy tinh Ge 33As12Se55<br /> bằng phương pháp laser xung cực nhanh. Nhờ vật liệu quang âm mà mảng kìm<br /> quang học một chiều đã được chế tạo nhằm bẫy và điều khiển các vi hạt trên một<br /> chiều nhất định. Việc bẫy đồng thời và điều khiển nhiều hạt được thực hiện bởi một<br /> số mảng kìm quang học khác nhau được chế tạo dựa trên nguyên lý nhiễu xạ ánh<br /> sáng, sử dụng thiết lái chùm tia laser hay sử dụng mảng vi thấu kính. Tuy nhiên,<br /> các mảng vi thấu kính này có một số nhược điểm như: cần tốc độ quét nhanh, phải<br /> sử dụng hệ cơ học chính xác cao, hay không thể linh động trong không gian ba<br /> chiều (hay còn gọi là mảng cứng). Do đó, vấn đề đặt ra là cần có một mảng kìm<br /> quang học động, có thể điều khiển các vi hạt không thông qua hệ điều khiển cơ học.<br /> Ngoài yếu tố vật liệu quang – âm có hệ số quang giảo lớn, hiện nay các nguồn sóng<br /> siêu âm có cường độ lớn đã được chế tạo. Năm 2002, Kohrmann và cộng sự [93] đã<br /> chế tạo thành công nguồn phát sóng siêu âm bằng ống gốm áp điện. Sóng âm được<br /> hội tụ vào diện tích 128mm2 cho cường độ trung bình lên đến Is  8,591107 W / m2 .<br /> Dựa vào kết quả nghiên cứu về nguồn sóng siêu âm của Aristizabal và cộng sự<br /> [10], năm 2011, Kotopoulis đã nghiên cứu thành công nguồn siêu âm có cường độ<br /> lớn Is  3 104 W / m2 bằng tinh thể LiNbO3 [79]. Gần đây, vào năm 2012, Ipatov và<br /> cộng sự đã sử dụng nguồn siêu âm có cường độ lên đến Is  3 107 W / m2 để nghiên cứu<br /> về các lớp vật liệu chống âm [94]. Từ phân tích những nhược điểm của các mảng<br /> kìm quang học cứng trên và dựa vào hai yếu tố môi trường quang - âm và nguồn<br /> sóng siêu âm có cường độ lớn, chúng tôi đề xuất một mảng kìm quang học động.<br /> 1<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu về mảng kìm này được đề cập trong luận án “Mảng kìm quang<br /> học biến điệu quang - âm”.<br /> 2. Nội dung nghiên cứu: i) Khảo sát sự hình thành của mảng vi thấu kính trong môi<br /> trường quang - âm biến điệu bằng sóng âm; ii) Khảo sát đánh giá các điều kiện hoạt<br /> động của mảng kìm sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang – âm; iii) Nghiên cứu<br /> quá trình sàng và phương pháp sàng vi hạt trong mảng kìm quang học biến điệu<br /> quang - âm.<br /> 3. Mục đích nghiên cứu: Đề xuất mảng kìm quang học sủ dụng mảng vi thấu kính<br /> biến điệu quang-âm, khảo sát các điều kiện xuất hiện vi thấu kính và kìm có thể bẫy<br /> và sàng được các vi hạt.<br /> 4. Đối tượng nghiên cứu: Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm và mảng kìm<br /> quang học sử dụng mảng vi thấu kính.<br /> 5. Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết và mô phỏng bằng phương pháp<br /> toán và phần mềm máy tính.<br /> 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: i) Đã đề xuất mô hình lý thuyết mảng<br /> vi thấu kính động (đường kính mở và tiêu cự trong vùng micromet) trong môi trường<br /> quang - âm Ge33As12Se33 biến điệu bằng hai sóng âm truyền lan vuông góc với nhau<br /> với hằng số mảng, đường kính mở, tiêu cự của vi thấu kính có thể thay đổi trong<br /> vùng micromet khi thay đổi tần số sóng âm trong vùng (200500)MHz, cường độ hay<br /> đổi trong vùng (1.1048.107)W/m2; ii) Đã phân tích, khảo sát đưa ra bộ tham số cho<br /> thực nghiệm thiết kế một mảng kìm quang học sử dụng tinh thể vô định hình<br /> Ge33As12Se33 biến điệu quang âm có thể bẫy và điều khiển 2D và 3D các vi hạt<br /> polystyrene có kích thước trong vùng (105000)nm nhúng trong nước sử dụng chùm<br /> laser có công suất cực đại 2,5W.<br /> B- NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN<br /> Ngoài mở đầu, kết luận, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương sau:<br /> Chương 1: Phân tích đánh giá quá trình phát triển của mảng kìm quang học.<br /> Chương 2: Mảng vi thấu kình biến điệu quang-âm.<br /> Chương 3: Điều kiện hoạt động của màng kìm quang học biến điệu quang âm.<br /> Chương 4: Khảo sát các đặc trwung của mảng kìm quang học biến điệu quang-âm.<br /> 2<br /> <br /> CHƯƠNG 1<br /> PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN<br /> CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC<br /> 1.1. Quang lực<br /> Quang lực là áp lực của bức xạ quang học tác động lên vật chất.<br /> 1.2. Phân bố quang lực trong không gian<br /> Khi một chùm tia laser chiếu lên vi hạt, nó sẽ được tác động bởi lực gradient<br /> Fgr (r) và<br /> <br /> lực tán xạ Fsc (r) có hai dạng quang lực tác động như sau:<br /> Fgr (r)  2 nm a 3<br /> <br /> m2  1<br />  r I (r);<br /> m2  2<br /> 2<br /> <br /> 8 nm k 4 a 6  m2  1 <br /> Fsc (r) <br />  2<br />  I (r)<br /> 3c<br /> m 2<br /> <br /> <br /> (1.5)<br /> <br /> Để được quang lực lớn, chùm laser được hội tụ và phân bố cường độ của nó theo<br /> <br /> <br /> <br /> Wz <br /> <br /> không gian được mô tả bởi hàm Gauss, tức là: I (r)  I (  , z)  I 0 W02 exp  2  2  ,<br /> 2<br /> <br /> Wz<br /> <br /> <br /> <br /> Wz2  W02 1   z / z0 <br /> <br /> 2<br /> <br />  , trong đó<br /> <br /> z0<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> là độ dài Rayleigh.<br /> <br /> 1.3. Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của kìm quang học<br /> 1.3.1. Cấu hình cơ bản đơn kìm: Chi tiết chính trong cấu hình kìm quang học là vật<br /> kính với khẩu độ số (NA) cao tạo ra<br /> gradient lớn cho chùm tia laser. Vi hạt sẽ<br /> được bẫy tại tâm vết chùm tia (Hình<br /> 1.11). Đơn kìm chỉ có thể bẫy được hạt<br /> tại một vị trí không gian nhất định. Để có<br /> thể đồng thời bẫy được nhiều hạt tại các<br /> vị trí không gian khác nhau, chúng ta<br /> <br /> Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết cấu tạo kìm<br /> quang học sử dụng một chùm laser<br /> trong thực nghiệm.<br /> <br /> phải có mảng kìm quang học.<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1.4. Mảng kìm quang học<br /> 1.4.1. Mảng kìm quang học sử dụng hệ quét nhanh chùm tia (BQS-Beam Quickly<br /> Scanning): Sử dụng hệ quét chùm tia<br /> (Galvo) điều khiển vết chùm tia trong<br /> không gian hai chiều (2D). Trong khoảng<br /> thời gian nhất định có thể giam giữ được<br /> Hình 1.12 Kìm quang học array<br /> sử dụng linh kiện BQS.<br /> <br /> nhiều vi hạt (Hình 1.12).<br /> <br /> 1.4.2. Mảng kìm quang học nhiễu xạ (DOT- Diffractiion Optical Tweezers ): Sử<br /> dụng khe nhiễu xạ tạo một chùm laser thành nhiều chùm thành phần khác nhau. Nhờ<br /> hệ telescop, các chùm thành phần được hội tụ và tạo nên mảng kìm quang học hai<br /> chiều.<br /> 1.4.3. Mảng kìm quang học giao thoa hai chùm tia (Interference Optical Tweezers)<br /> Sừ dụng giao thoa kế Mach-Zehnder, tạo ra các vết giao thoa của một chùm laser<br /> trong không gian và nhận được mảng kìm quang học một chiều.<br /> 1.4.4. Mảng kìm quang học thông minh (ICOT-Inteligent Control Optical Tweezers): Sử<br /> <br /> dụng khe nhiễu xạ và hệ quang điều khiển khoảng cách giữa các thấu kính kết hợp<br /> với hệ quét tia có thể bẫy các vi hạt trong không gian ba chiều(3D).<br /> <br /> Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo của mảng<br /> <br /> Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của<br /> <br /> kìm 2,5D ICOT.<br /> <br /> MSOT .<br /> <br /> 4<br /> <br />