Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Phân bố lực trong không gian của kìm quang học Kerr sử dụng chùm tia Gauss

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm chỉ ra tác động của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy các vi cầu phi tuyến (hoặc vi cầu nhúng trong môi trường phi tuyến) và định hướng cho thực nghiệm, khảo sát phân bố 3 chiều của quang lực tác động lên vi cầu có chiết suất phi tuyến (hoặc tuyến tính) nhúng trong môi trường tuyến tính (hoặc môi trường phi tuyến- môi trường Kerr).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Phân bố lực trong không gian của kìm quang học Kerr sử dụng chùm tia Gauss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG VĂN NAM PHÂN BỐ LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA KÌM QUANG HỌC KERR SỬ DỤNG CHÙM TIA LASER GAUSS Chuyên ngành: Quang học Mã số : 62.44.01.09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội, 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Hồ Quang Qúy 2. TS Cao Thành Lê Phản biện 1: GS.TS Trần Công Phong Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Quốc Hùng Phản biện 3: TS Phạm Vũ Thịnh Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi… giờ… ngày… tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Thư viện quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về lực quang học, bẫy quang học và kìm quang học cả trong lý thuyết và thực nghiệm, kết quả và được đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực trong khoa học, đời sống [15], [20], [24], [29], [30], [32], [35], [44], [45], [62]. Để bẫy vi cầu, các nhà khoa học đã dùng các chùm tia laser có phân bố dạng hàm Gaussian cho vi cầu có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường chất lưu [21] và chùm dạng hàm Hollow - Gaussian cho vi cầu có chiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường chất lưu [20], [25], [38], [48], [43]. Về lý thuyết, đã quan tâm đến quang lực tác động lên vi cầu khi có sự khác nhau về kích thước, hình dạng, thông qua các chế độ Mie, Rayleigh... Tuy nhiên, khi chùm laser hội tụ, cường độ tại tâm kìm và lân cận sẽ lớn, dẫn đến xuất hiện hiệu ứng Kerr. Khi đó, nếu vi cầu và môi trường chất lưu có hệ số chiết suất phi tuyến bậc ba cao, đặc biệt với chất lưu là các chất hữu cơ hay các vi cầu là những phân tử sống mà ta chưa hiểu rõ bản chất thì cần phải xem xét nghiên cứu thêm về hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy. Trong thực nghiệm, một số trường hợp vi cầu không ổn định trong quá trình bẫy và khó điều khiển. Có thể do xuất hiện hiệu ứng Kerr (như đã nói ở trên) khi ta bẫy vi cầu (nhạy với hiệu ứng Kerr) hoặc vi cầu trong môi trường chất lưu (nhạy với hiệu ứng Kerr). Vì khi đó, chiết suất vi cầu và chất lưu sẽ thay đổi, kéo theo thay đổi điều kiện bẫy, mà còn gây nên hiện tượng tự hội tụ của chùm tia Gaussian, làm chùm tia bị biến dạng một lần nữa. Các thay đổi đó ảnh hưởng đến độ lớn và sự phân bố quang lực trong không gian chất lưu, tức ảnh hưởng đến vùng bẫy và vùng ổn định của bẫy. Nhằm mục đích quan tâm những vấn đề đang còn bỏ ngỏ, để bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm với sự có mặt của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy, giải thích một số trường hợp không bẫy được, nhưng khi thay đổi cường độ chùm thì có thể bẫy được, chúng tôi đã đề xuất đề tài luận án là: “Phân bố lực trong không gian của kìm quang học Kerr sử dụng chùm tia Gauss”.
2 * Mục đích nghiên cứu: Nhằm chỉ ra tác động của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy các vi cầu phi tuyến (hoặc vi cầu nhúng trong môi trường phi tuyến) và định hướng cho thực nghiệm, khảo sát phân bố 3 chiều của quang lực tác động lên vi cầu có chiết suất phi tuyến (hoặc tuyến tính) nhúng trong môi trường tuyến tính (hoặc môi trường phi tuyến - môi trường Kerr). * Phương pháp nghiên cứu: Trên cơ sở cấu hình kìm quang học Kerr, lý thuyết về kìm quang học và quang phi tuyến, dẫn ra các biểu thức tường minh cho quang lực dọc và quang lực ngang. Sử dụng phần mềm Maple, mô phỏng phân bố của cường độ chùm laser Gaussian, quang lực dọc, ngang trong không gian hai chiều hoặc ba chiều. Từ các kết quả mô phỏng, phân tích và bình luận về điều kiện hoạt động của kìm quang học và sự ổn định của vi cầu. * Nội dung nghiên cứu: Mô phỏng phân bố (hai chiều) của quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính (hoặc phi tuyến) trong mặt phẳng mẫu phi tuyến (hoặc tuyến tính); Khảo sát ảnh hưởng của các tham số chính như: hệ số chiết suất phi tuyến, cường độ đỉnh, bán kính mặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào, kích thước vi cầu lên quang lực ngang và phân bố của nó trên mặt phẳng mẫu. Mô phỏng phân bố (ba chiều) của quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính trong khối môi trường phi tuyến. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số chính như: Hệ số chiết suất phi tuyến, cường độ đỉnh, bán kính mặt thắt chùm tia Gaussian đầu vào, kích thước vi cầu lên quang lực (dọc và ngang) và phân bố của nó trong khối chất lưu là môi trường phi tuyến. * Ý nghĩa về lý luận, thực tiễn của luận án: Các nghiên cứu trước chưa quan tâm tới hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy. Nội dung luận án bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm về bẫy quang học với sự có mặt của hiệu ứng Kerr trong quá trình bẫy, định hướng lựa chọn tham số thực nghiệm cũng như giải thích một số trường hợp không bẫy được.
3 Nội dung luận án được trình bày theo cấu trúc sau: Chương 1. Kìm quang học: Công cụ bẫy và điều khiển vi hạt: Tổng quan và hệ thống một số kết quả đã nghiên cứu về kìm quang học, rút ra những điểm cần quan tâm cho các chương sau. Chương 2. Phân bố lực trong kìm quang học tuyến tính: Trên cơ sở mẫu kìm sử dụng một chùm tia trong môi trường tuyến tính (không nhạy với hiệu ứng Kerr), mô phỏng phân bố quang lực trong không gian 3 chiều, khảo sát ảnh hưởng của một số tham số quang học, đặc biệt là tỉ số chiết suất lên quang lực. Chương 3. Phân bố lực trong kìm quang học Kerr hai chiều: Đề xuất kìm quang học dùng một chùm tia dạng sóng phẳng bẫy vi cầu tuyến tính (phi tuyến) trong mặt phẳng chất lưu phi tuyến (tuyến tính), dẫn biểu thức tường minh quang lực tác động lên vi cầu có sự tham gia của hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser, khảo sát ảnh hưởng các tham số lên hoạt động kìm và ổn định vi cầu. Chương 4. Phân bố lực trong kìm quang học Kerr ba chiều: Đề xuất kìm quang học dùng một chùm tia Gaussian bẫy vi cầu tuyến tính nhúng trong khối chất lưu (chứa vi cầu) có tính chất phi tuyến (cho khối chất lưu mỏng và có độ dày đáng kể). Trên cơ sở cấu hình kìm đó dẫn các biểu thức quang lực tác động lên vi cầu khi có sự tham gia đồng thời của hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser và hiệu ứng tự hội tụ. Khảo sát và bình luận ảnh hưởng các tham số lên hoạt động của kìm và tính ổn định của vi cầu. Kết luận: Nêu tóm tắt các nội dung đã thực hiện và một số kết quả chính, mới của luận án.
4 Chương 1 KÌM QUANG HỌC: CÔNG CỤ BẪY VÀ ĐIỀU KHIỂN VI CẦU 1.1 Quang lực Quang lực là áp lực tác động của bức xạ trong vùng quang học lên vật [10], [11], dùng để mô tả áp lực của chùm laser tác động lên vi cầu điện môi. Khi một chùm laser hội tụ lên một vi cầu điện môi sẽ có nhiều dạng quang lực khác nhau tác động lên nó như: Quang lực tán xạ, quang lực gradient, quang lực trong chế độ Mie, Rayleigh... 1.2 Nguyên lý hoạt động a. Phân bố quang lực gradient ngang gây ra bởi chùm laser TEM00 Một chùm laser sóng phẳng với cường độ  2  I (  )  I 0 exp   2  (1.16)  0  sẽ tác động lên vi cầu một lực ngang   2  I 0  2  Fgrd,  ( r )   ˆ exp  2  (1.17)  02  0  trong đó,  là hệ số phân cực. b. Phân bố quang lực dọc gây ra bởi chùm laser TEM00 dạng sóng Gaussian lên vi cầu điện môi Một chùm laser có cường độ trong không gian ba chiều [18]:  W0   2 2  I ( , z)  I0   exp   W 2 ( z )  (1.18) W ( z )    Sẽ tác động lên vi cầu nằm trong trục chùm tia một lực dọc  2 I 0 z Fgrd, z ( z )  zˆ 2 (1.20) z0  z  1    z0  (a) (b) Hình 1.5 Mô tả chùm Hình 1.7 Phân bố quang lực dọc: a) Trên trục laser Gaussian chùm tia; b) Cách trục một khoảng =2W0
5 * Khi m>1, phân bố có dạng đối ngẫu qua tâm (tại điểm z=0), vi cầu luôn bị kéo vào tâm (hình 1.7a). Khi vi cầu nằm tại một điểm cách trục chùm tia một khoảng  cũng sẽ bị kéo vào điểm (,0) với một quang lực nhỏ hơn (hình 1.7b). * Khi m
6 Khi đó, thấu kính phi tuyến mới này có tiêu cự f pht tính như sau [18]: 1 1 Wz 2 f pht    (1.34) A. 2 .l 2 B.l 4nnl I 0 .Wo 2 .d 1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu về kìm quang học Trong lý thuyết thường giả thiết chùm tia laser có năng lượng và cấu trúc không đổi, chất lưu đồng nhất và đẳng hướng. Trong thực nghiệm còn xuất hiện sự không ổn định của chùm laser và hệ quang, nhiễu loạn môi trường [21], [57], quá trình ngẫu nhiên lên quang lực [56]. Thực nghiệm và lý thuyết hiện nay đang thành công với chiết suất vi cầu và chất lưu cố định (không phụ thuộc vào cường độ laser) hay nói cách khác, thành công với “Kìm quang học tuyến tính”. Trường hợp khi vi cầu và chất lưu nhạy với hiệu ứng Kerr [60], [70], khi đó, chiết suất của chúng sẽ thay đổi theo cường độ chùm laser, kìm có tính chất này gọi là “Kìm quang học Kerr”. Khi đó sự phân bố quang lực, hình thành vùng bẫy, vùng ổn định cần xem xét cụ thể để lý giải thỏa đáng cho thực nghiệm. 1.6 Kết luận chương 1 Trong điều kiện nhất định, hoạt động ổn định của kìm quang học phụ thuộc vào cấu hình của kìm, tính chất của chùm laser, kích thước của vi cầu, môi trường chất lưu và các lực ngoài tác động lên vi cầu. Bên cạnh đó, điều kiện hoạt động của kìm và sự ổn định của vi cầu cũng phụ thuộc vào tính chất kết hợp của chùm tia, tính ổn định của môi trường và tính phi tuyến (chiết suất) của vi cầu cũng như của chất lưu. Chương này đã quan tâm một số vấn đề như các cấu hình kìm quang học, động học và ổn định của vi cầu, ảnh hưởng của một số lực ngoài và tính ngẫu nhiên.... Nhưng ảnh hưởng của chiết suất môi trường cũng như của vi cầu, ảnh hưởng của các lực liên kết giữa các vi cầu... lại đang còn bỏ ngỏ. Đó là những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu tìm hiểu thêm.
7 Chương 2 PHÂN BỐ LỰC TRONG KÌM QUANG HỌC TUYẾN TÍNH 2.1 Cấu hình Giả thiết sau khi hội tụ, chùm tia có phân bố Gaussian trong môi trường có chiết suất nm và vi cầu có chiết suất nh với nh  nm sẽ bị bẫy vào tâm thắt chùm. Mô hình kìm một chùm tia Gaussian dùng để bẫy vi cầu tuyến tính trong môi trường tuyến tính, tức là “kìm Hình 2.1. quang học tuyến tính một chùm tia”. Mẫu cho một kìm quang học tuyến tính 2.2 Phân bố cường độ trong không gian ba chiều Giả thiết tâm mặt thắt chùm gắn với hệ tọa độ (x,y,z) (Hình 2.1), khi đó điện trường mô tả như sau [21], [36], [56]:   ikW02 El  z ,  , t   xE0 expi  kz  t  ikW02  2 z    2kz  2   exp i 2 (2.1)   kW   4 z  2 2  0   kW0   2  2  t  z / c 2   exp     exp     kW 2 2  4 z 2     2   0  Từ biểu thức (2.1), ta xác định phân bố cường độ như sau:   zkW 2 2 P  2 2    I  z, , t    exp   1  4z2   exp  2   t  0  (2.2) 1  4z2     c    2.3 Phân bố quang lực trong không gian ba chiều 2.3.1 Quang lực tác động lên vi cầu Khi vi cầu thỏa mãn   a , [8], [11], [12], [42], [56], phân bố cường độ laser theo (2.2), phân bố quang lực trong chế độ Rayleigh như sau:
8 - Lực tán xạ: 2   nh  P  2 2     02   zkW  Ftx ( z,  , t )  z   exp     exp  2  t    (2.7) 2 c 1  4 z 2  1  4 z    c    - Lực gradient dọc theo trục truyền lan:   2 I  z,  , t   zk  02 2z 1  4z 2  2 2    2W04 ktW Fgrad ,z  z    2 2  (2.9) nm0ckw02  c2 2 c 1  4z    - Quang lực dọc tổng như sau:    zk  02 2 z 1  4 z 2  2  2     n 2  2W04 ktW Ftg , z ( z ,  , t )  z  h   2 2   2    c nm 0ckw02  c c 1  4 z    2   (2.12) 2 P  2   2    zkW  2  exp   2  exp  2  t   0  1  4 z 2  1  4 z  c      - Lực gradient theo bán kính hướng tâm (quang lực ngang) là:   2 P  2 2    zkW 2  02   Fgrad ,  z,  , t     exp  2   exp 2  t    (2.13a) cnm0W0 1 4z2  1 4z  1 4z  2   c    2.3.2 Phân bố quang lực dọc trong mặt phẳng (z,) Phân bố quang lực dọc, với giá trị đầu vào U  2mJ , W0  1 m : - Trên mặt phẳng (z,)(a); - Chiếu lên mặt (z,) (b) Ta thấy, quang lực dọc đạt giá (a) (b) trị “cực đại” F2,max =15pN và đối Hình 2.2 xứng qua tâm (0,0) (Hình 2.2) 2.3.3 Phân bố quang lực ngang trên mặt phẳng (z,) Hình 2.3, phân bố quang lực ngang trên mặt (z,) (a)và (b) trên mặt (z,) với các giá trị đầu vào U  2mJ W0  1 m . Ta thấy, quang lực ngang có tính (a) (b) đối ngẫu và xuất hiện vùng ổn Hình 2.3 định ngang
9 2.4 Ảnh hưởng các tham số lên quang lực và vùng bẫy 2.4.1 Ảnh hưởng của năng lượng chùm Phân bố quang lực dọc khi bán kính thắt chùm là W0  2 m (hình 2.5) với các giá trị khác nhau của năng lượng laser: U  4mJ (a), U  6 mJ (b), U  8 mJ (c), U  10 mJ (d) và phân bố quang lực ngang trên đường kính hướng tâm khi W0  1 m (hình 2.6) với: U  4mJ (a), U  6 mJ (b); U  8 mJ (c); U  10 mJ (d). Từ hình (2.5, 2.6) ta thấy, quang lực tăng tỉ lệ thuận với năng lượng chùm tia, tức tỉ lệ thuận với cường độ. Quang lực ngang cực đại thay đổi tuyến tính theo năng lượng chùm laser. Hình 2.5 Hình 2.6 2.4.2 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm Phân bố quang lực dọc khi U  2 mJ (hình 2.7) với các giá trị bán kính thắt chùm: W0  2 m (a); W0  3 m (b); W0  4 m (c); W0  5 m (d) và phân bố quang lực ngang trên bán kính hướng tâm khi U  2 mJ (hình 2.8) với các giá trị bán kính thắt chùm: W0  2 m (a); W0  3 m (b); W0  4 m (c); W0  5 m (d). Ta thấy quang lực dọc không phụ thuộc tuyến tính vào bán kính thắt chùm (hình 2.7). Độ lớn vùng ổn dọc không thay đổi khi thay đổi bán kính thắt chùm, đặc biệt là quang lực ngang và độ lớn vùng ổn định phụ thuộc nhiều vào bán kính thắt chùm (hình 2.8). Hình 2.7 Hình 2.8
10 2.4.3 Ảnh hưởng của tỉ số chiết suất tuyến tính Sự phụ thuộc của quang lực dọc cực đại vào tỉ số chiết suất (2.11) và phụ thuộc của quang lực ngang cực đại vào tỉ số chiết suất (2.12). Ta thấy, quang lực dọc và ngang tỷ lệ thuân với tỉ số chiết suất tuyến tính và sự thay đổi tỉ số chiết suất không ảnh hưởng đến độ lớn vùng bẫy và vùng ổn định. Khi tỉ số chiết suất tuyến tính tăng, giá trị cực đại của quang lực dọc và ngang đều tăng (Hình 2.11 và 2.12). Khi đó, kìm hoạt động sẽ hiệu quả hơn. Hình 2.11 Hình 2.12 2.5 Kết luận chương 2 Chương này trình bày về kìm quang học sử dụng một chùm xung laser Gaussian, các biểu thức quang lực tác động lên vi cầu điện môi nhúng trong môi trường chất lưu trong chế độ Rayleigh, mô phỏng phân bố của quang lực trong không gian môi trường, đồng thời bình luận về ảnh hưởng của các tham số quang như: Năng lượng laser, bán kính thắt chùm, tỉ số chiết suất và có các kết quả như sau: - Quang lực dọc đối xứng qua thắt chùm (tức là ảnh hưởng của lực tán xạ không đáng kể), giá trị cực đại của nó tỉ lệ thuận với năng lượng chùm tia, tỉ số chiết suất và tỉ lệ nghịch với bán kính thắt chùm. Độ lớn các vùng bẫy dọc và vùng ổn định dọc không phụ thuộc mạnh vào năng lượng, bán kính thắt chùm và tỉ số chiết suất tuyến tính. - Quang lực ngang luôn đối xứng qua trục truyền lan; giá trị cực đại của nó tỉ lệ thuận với năng lượng chùm tia, tỉ số chiết suất và tỉ lệ nghịch với bán kính thắt chùm; độ lớn vùng bẫy ngang phụ thuộc chủ yếu bán kính thắt chùm, trong khi đó, vùng ổn định ngang phụ thuộc yếu các tham số quang. - Trong kìm tuyến tính dùng một chùm xung Gaussian: + Khi m  1, luôn tồn tại vùng bẫy với độ lớn thay đổi phụ thuộc vào
11 năng lượng tổng chùm tia, bán kính thắt chùm và tỉ số chiết suất. Năng lượng chùm laser càng lớn, giá trị quang lực cực đại tại biên của vùng ổn định càng lớn, nên hiệu quả hoạt động kìm tăng lên và kìm không bao giờ bị phá vỡ. + Khi m  1 , kìm sẽ bị phá vỡ, do đó, không thể sử dụng chùm tia laser Gaussian. Hiện tượng này dễ xảy ra khi vi cầu và môi trường nhạy với hiệu ứng Kerr. Điều này sẽ được trình bày trong hai chương sau. Chương 3 PHÂN BỐ LỰC TRONG KÌM QUANG HỌC KERR 2 CHIỀU 3.1. Mẫu kìm quang học Kerr hai chiều Mẫu kìm quang học Kerr 2D được mô tả trên hình 3.1. Trong cấu hình này, vi cầu và chất lưu có thể là phi tuyến theo hiệu ứng Kerr và đổi vai trò cho nhau và gọi là “Kìm quang học Hình 3.1 Kerr hai chiều”(hình 3.1). Giả thiết là chiều dày môi trường dm xấp xỉ đường kính vi cầu 2a , nhỏ hơn nhiều so với độ dày Rayleigh, khi đó chùm laser phần tiếp xúc với vi cầu được xem là sóng phẳng. 3.2. Phân bố quang lực ngang lên vi cầu tuyến tính trong môi trường Kerr 3.2.1 Cường độ chùm laser Gaussian dạng sóng phẳng Tại hình 3.1, do vi cầu nằm trên mặt phẳng mẫu nên quang lực dọc không tác động vào nó. Do đó, có thể giả thiết chỉ có cường độ laser tại tọa độ z trong khoảng từ z0 đến 0 là tác động lên hạt. Bên cạnh đó do ta khảo sát quang lực theo không gian, nên ta chỉ quan tâm đến cường độ chùm tại thời điểm xung cực đại (tức tại t=0). Khi đó biểu thức cường độ I P  ,t  chùm được rút gọn là: 2 I P     P  exp(2 ) (3.1) W02
12 3.2.2 Phụ thuộc của chiết suất, hệ số phân cực vào cường độ chùm tia Giả sử vi cầu tuyến tính được nhúng trong môi trường phi tuyến Kerr. Khi đó, chiết suất môi trường sẽ thay đổi phụ thuộc vào cường độ laser (chiết suất phi tuyến) và được tính theo công thức [3]: npht ,m  nm  nnl I P    (3.2) 3.2.3 Biểu thức của quang lực ngang Sử dụng (3.2), biểu thức tính quang lực gradient ngang như sau: 2  nh  1 m   nm  8 a 3 Fgrad ,        nm 2 IP ( )  nh  cW02   2  nm  (3.7) 2  nh  1   nm  8 a 3 2  m ,tt  m , pht   nnl 2 I P (  )  Fgrad ,      Fgrad ,      nh  cW02   2  nm  3.2.4 Ảnh hưởng của năng lượng tổng Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.5 Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm với tham số U=2mJ, W- -14 2 0=1μm, nnl = 10 cm /W (hình 3.2); Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm với U=6mJ, W0=1μm, nnl = 10-14cm2/W (hình 3.3); Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm (hình 3.5) với W0=1μm , nnl = 10-14cm2/W và U=10mJ (a); U=20mJ (b). Từ các hình ta thấy, xuất hiện vùng bẫy với U=6mJ, W0=1μm, nnl = 10-14cm2/W (hình 3.3), khi U=20mJ, thì vùng bẫy không tồn tại (hình 3.5).
13 3.2.5 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm Phân bố quang lực ngang trên trục hướng tâm (hình 3.6) với: U=2mJ, W0=2,0μm, nnl = 10-14cm2/W. Phân bố quang lực trên trục hướng tâm (hình 3.7), với: U=2mJ, nnl = 10-14cm2/W, với các giá trị của thắt chùm: W0=0,6μm (a); 0,5μm (b); 0,4μm (c). Hình 3.6 Hình 3.7 Khi W0=0,6μm, kìm hoạt động như kìm tuyến tính, khi tăng bán kính mặt thắt thì quang lực cực đại trong vùng bẫy và vùng “không ổn định” tăng, thậm chí không tồn tại vùng bẫy (hình 3.7). 3.2.6 Ảnh hưởng của hệ số chiết suất phi tuyến Phân bố quang lực trên trục hướng tâm, U=2mJ, W0=1μm, (hình 3.8) với: nnl =2.10-14cm2/W (a); 3.10-14cm2/W (b); 4.10-14cm2/W (c); 6.10-14cm2/W (d). Từ hình ta thấy, khi nnl =10-14cm2/W (ở hình 3.2); 2.10-14cm2/W kìm hoạt động như kìm tuyến tính. Khi nnl=3.10-14cm2/W, xuất hiện vùng Hình 3.8 không ổn định, tiếp tục tăng nnl kìm không hoạt động (hình 3.8). 3.3 Quang lực ngang của vi cầu Kerr trong môi trường tuyến tính 3.3.1 Biểu thức:Qu ang lực gradient ngang được tính như sau: 2  nh  nnl I P     1 h   nm   8a3 Fgrad ,     nm 2 I P ( ) (3.12)  nh  nnl I P     cW02   2  nm 
14 3.3.2 Ảnh hưởng các tham số lên quang lực khi nh>nm : * Năng lượng tổng U: Phân bố quang lực trên trục hướng tâm (hình 3.11) có tham số W0=1μm, nnl =1. 10-14cm2/W, với năng lượng: U=2mJ (a); 3mJ (b); 4 mJ (c) và 5 mJ (d). Ta thấy khi tăng năng lượng của chùm thì quang lực tăng, vùng bẫy được mở rộng thêm. Hình 3.11 * Bán kính thắt chùm W0: Phân bố quang lực trên trục hướng tâm. U=2mJ, nnl =1. 10-14cm2/W (hình 3.12) với: W0=1μm (a); 0,9 μm (a); 0,8μm (c); 0,7μm (d). Ta thấy, khi giảm bán kính mặt thắt, vùng bẫy giảm, quang lực tăng. Hình 3.12 * Hệ số chiết suất phi tuyến nnl: Phân bố quang lực trên trục hướng tâm, U=2mJ , W0=1μm, (hình 3.13) với: nnl =1. 10-14cm2/W (a); 2. 10-14cm2/W (b); 3. 10-14cm2/W (c); 4. 10-14cm2/W (d); Ta thấy, khi tăng hệ số chiết suất, quang lực tăng, vùng ổn định không đổi. Hình 3.13 3.3.3 Ảnh hưởng các tham số lên quang lực khi nh
15 Khi m=nh/nm nm), phân bố quang lực tương tự trong kìm tuyến tính. Quang lực tăng khi năng lượng tổng, hệ số chiết suất phi tuyến vi cầu tăng và bán kính thắt chùm giảm. Bán kính vùng
16 bẫy tăng, giảm không đáng kể khi thay đổi năng lượng tổng, bán kính thắt chùm và hệ số chiết suất phi tuyến vi cầu. 4. Đối với vi cầu Kerr có (nh
17 1 1 Wz 2 f pht    (4.6) A. 2 .l 2 B.l 4nnl I 0 .Wo 2 .l 4.1.2 Khảo sát quang lực dọc tác động lên vi cầu: Theo [1], [2], [3], [8], quang lực dọc tác động lên vi cầu nhúng trong chất lưu Ker là:  Fgr , z ( z,  )    m2  1  zn f a3      2  1 2 2   (4.9) z 2  I exp 2   2 0   2  2  m  2  z0 1  ( z / z0 )2    W ( z)    1  ( z / z0 )  W0tht     Dùng (4.9), ta khảo sát ảnh hưởng các tham số lên ổn định dọc vi cầu: * Ảnh hưởng hệ số chiết suất phi tuyến: Quang lực dọc trên trục chùm tia (trên hình 4.3) với I 0  1, 0.108 W/cm 2 và hệ số chiết suất phi tuyến khác nhau: nnl  1,0.1014 cm2 / W (a); nnl  1,0.1013 cm 2 / W (b). Quang lực dọc trên trục chùm tia (trên hình 4.4) với nnl  1,0.1014 cm2 / W : I 0  1, 0.108 W/cm 2 (a); I0  1,0.109 W/cm2 (b). Ta thấy khi nnl  1,0.1014 cm2 / W , không có tác dụng giam giữ vi cầu, khi nnl  1,0.1013 cm 2 / W thì quang lực dọc cực đại vẫn không thay đổi nhiều, không có tác dụng đẩy vi cầu vào tâm kìm (hình 4.3). Hình 4.3 Hình 4.4 * Ảnh hưởng của cường độ tổng: Khi cường độ đỉnh tăng lên 10 lần I 0  1, 0.109 W/cm 2 (hình 4.4b), quang lực cực đại chỉ đạt  5 102 pN không đủ để giam giữ vi cầu có kích thước a  1nm . Vì để giữ vi cầu như thế thì quang lực phải hàng chục pN [13]. Vậy vi cầu như thế nào thì mẫu kìm trên có thể giam giữ được. Sau đây ta xem xét ảnh hưởng của nó. * Ảnh hưởng của bán kính vi cầu: Quang lực dọc với nnl  1,0.1014 cm2 / W , I 0  1, 0.109 W/cm 2 (hình 4.5) với các giá trị bán kính vi cầu: a  2nm (a);
18 a  4nm (b); a  6nm (c); a  8nm (d); Phụ thuộc quang lực dọc vào kích thước vi cầu nnl  1,0.1014 cm2 / W , I 0  1, 0.109 W/cm 2 [7] (hình 4.6); Sự phụ thuộc của bán kính vùng bẫy vào kích thước vi cầu nnl  1,0.1014 cm 2 / W , I 0  1, 0.109 W/cm 2 (hình 4.7). Bán kính vùng bẫy tỷ lệ nghịch với kích thước vi cầu. Hình 4.6. Hình 4.5 Hình 4.7 4.1.3 Khảo sát quang lực ngang tác động lên vi cầu Theo [11], [18],  [19], [42], quang lực ngang tác động vi cầu là: Fgr ,   z ,      m 2  1   W0'  2      2 (4.12)   2n f  a 3 I 0  2  2  exp   2      m  2   W ( z)    W ( z )   Ta thấy nó phụ thuộc I 0 , W0 , nh , nm , nnl , a. Ta khảo sát ảnh hưởng các tham số (với nnl  1,5.1014 cm2 / W > 1.1014 cm 2 / W ) lên phân bố quang lực lên bán kính hướng tâm đối với chất lưu Kerr, như sau: * Ảnh hưởng của hệ số chiết suất nnl : Sự phụ thuộc của Fgr ,max vào nnl , với I 0  1107 W/cm 2 (hình 4.14); Sự phụ thuộc bán kính vùng bẫy vào nnl , với I 0  1107 W/cm 2 , W0  2 m (hình 4.15). Ta thấy, khi tăng hệ số chiết suất, quang lực cực đại tăng, bán kính vùng bẫy giảm. Hình 4.14 Hình 4.15