Khảo sát phân bổ quang lực trong không gian của hai cặp chùm gauss ngược chiều

Một số khái niệm và kết quả của bẫy quang học, giới thiệu về quang lực, tổng quan về một số bẫy quang học đã được nghiên cứu và sửdụng, một số nghiên cứu về bẫy quang học sử dụng một cặp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-000 -NGUYỄN THỊ HÀ TRANG

KHẢO SÁT PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG

KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh.

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến:

Thầy giáo, PGS TS Hồ Quang Quý đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật

lý cùng các thầy giáo, cô giáo khoa Sau Đại học, Khoa Vật lý đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.

Vinh, tháng 12 năm 2010

HV: Nguyễn Thị Hà Trang

MỤC LỤC

MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ CỦA BẪY QUANG HỌC 9

1.1.Khái niệm về quang lực 9

1.2.Quang lực của hạt tác động lên hạt điện môi 9

1.3.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bẫy quang học 16

1.4.Bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều 20

1.5.Một số kết quả của bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều 21

1.5.1.Phân bố cường độ tổng của hai xung Gauss ngược chiều 21

1.5.2.Quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi 22

1.6.Ứng dụng của bẫy quang học 23

1.6.1 Trong sinh học 23

1.6.2.Trong y học 24

1.6.3 Trong vật lý 24

1.6.4 Trong nghiên cứu công nghệ nanô 24

1.6.5 Trong giáo dục 25

1.7.Kết luận chương 1 25

PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU 27

2.1.Mô hình bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều 27

2.3.Biểu thức cường độ tổng của hai cặp chùm tia ngược chiều 29

2.4.Mô phỏng ảnh hưởng của một số tham số lên cường độ của hai cặp xung Gauss ngược chiều 31 2.5.Kết luận chương 34

PHÂN BỐ QUANG LỰC TRONG KHÔNG GIAN CỦA HAI CẶP CHÙM GAUSS NGƯỢC CHIỀU 36CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU 48

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Một trong những thành tựu đáng tự hào của khoa học hiện đại là lần đầutiên có sự ra đời của laser vào năm 1960 Cho đến 1970 laser đã được sử dụngrất rộng rãi với sự mở rộng vùng phổ từ hồng ngoại đến tử ngoại Laser đã cónhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật cũng như trong nhiều lĩnh vực khácnhư y học, sinh học hay quân sự…[1] Và đặc biệt thời gian gần đây laser lạiđược sử dụng để làm lạnh vật chất, giam giữ các hạt nhỏ cỡ nguyên tử

Năm 1970, A.Ashkin đã đưa ra ý tưởng sử dụng chùm tia laser để giữ lạicác hạt hình cầu, thắng được trọng lực của nó trong vùng hội tụ của một chùmtia laser Trong nghiên cứu này, ông đã sử dụng định luật bảo toàn năng lượng

và định luật bảo toàn động lượng để giải thích quá trình tương tác của các

photon lên các hạt điện môi nhỏ Kết quả là truyền một phần động lượng vàoviệc dịch chuyển hạt nhờ ánh sáng laser, nghĩa là các hạt đã bị photon tácdụng một quang lực Từ đó, cấu hình về bẫy quang học đã rất được quan tâmnghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm [8,9].

Bẫy quang học là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kíchthước cỡ nguyên tử: các hạt điện môi, các nguyên tử sau khi đã bị làm lạnhbằng laser, hồng cầu, các tế bào lạ, [10,11] Nguyên lý hoạt động của bẫyquang học dựa trên sự tác động của quang lực lên các hạt có kích thước cỡnanomet Hiện nay, bẫy quang học đã được đề cập nghiên cứu bằng lý thuyết,thực nghiệm và đã đưa vào sử dụng khảo sát quá trình động của một số hạtnano Mục tiêu của bẫy quang học là ổn định được đối tượng nghiên cứu Hiện nay có một số đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước như: Chế tạo kínhhiển vi laser quét đồng tiêu (Viện KHVN) ứng dụng nghiên cứu tế bào lạ, vikhuẩn, ; Nghiên cứu hệ làm lạnh quang từ (ĐH Vinh-Viện Hàn lâm KH BaLan) để làm lạnh nguyên tử,…là những đề tài cần đến quá trình ổn định cácđối tượng nghiên cứu Để có được những luận cứ khoa học về ổn định của cácđối tượng khi sử dụng các thiết bị trên cần có những nghiên cứu cụ thể, trướchết về mặt lý thuyết, nhằm mục đích định hướng cho quá trình xây dựng thựcnghiệm

Trong xu thế trên, trước đây đã có một số công trình nghiên cứu về bẫyquang học sử dụng một cặp chùm laser Gauss ngược chiều nhau Tuy nhiên,với cấu trúc như trên, bẫy chỉ sử dụng để bẫy các đối tượng nằm trên mặtphẳng mẫu, mà không thể bảo đảm độ ổn định cao trong không gian Điềunày chỉ có thể khắc phục được khi sử dụng hai hoặc ba cặp chùm tia ngượcchiều vuông góc với nhau Về mặt thực nghiệm và lý thuyết, đã có một sốcông trình trước đây nghiên cứu về bẫy quang học hai chiều Tuy nhiên, đểkhẳng định về tính ổn định của bẫy và kích thước vùng ổn định của bẫy đối

phỏng về phân bố quang lực theo không gian hai chiều của nó

Từ lý do trên, chúng tôi đề xuất và chọn đề tài cho luận văn: “Khảo sát

phân bố quang lực trong không gian của hai cặp chùm Gauss ngược chiều”

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của luận văn đượctrình bày trong 3 chương

Chương 1 Một số khái niệm và kết quả của bẫy quang học, giới thiệu về

quang lực, tổng quan về một số bẫy quang học đã được nghiên cứu và sửdụng, một số nghiên cứu về bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gaussngược chiều, ứng dụng của bẫy quang học

Chương 2 Phân bố cường độ trong không gian của hai cặp chùm Gauss

ngược chiều nhau, xây dựng công thức tính cường độ laser trong không gianhai chiều, mô phỏng số cường độ của tia laser trong không gian của hai cặpchùm Gauss ngược chiều

Chương 3 Phân bố quang lực trong không gian của hai cặp chùm Gauss

ngược chiều, xây dựng công thức tính quang lực và dùng phương pháp môphỏng số để mô phỏng quang lực của chùm tia laser trong không gian của haicặp chùm Gauss ngược chiều

Phần kết luận chung: nêu những vấn đề đạt được trong nghiên cứu vàhướng phát triển mới của luận văn

2 Mục đích nghiên cứu

Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm vềbẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều, đưa ra được cácluận cứ có tính khoa học, thảo luận về khả năng ổn định được các hạt có kíchthước nanô bằng bẫy quang học khi sử dụng hai cặp chùm Gauss ngượcchiều

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đưa ra môhình bẫy quang học sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều.

- Tính cường độ và đưa ra biểu thức tính cường độ tổng của hai cặpchùm Gauss ngược chiều trong không gian Mô phỏng cường độ tổng bằngphương pháp mô phỏng số

- Tính quang lực và đưa ra biểu thức tính quang lực tổng của hai cặpchùm Gauss ngược chiều trong không gian Mô phỏng quang lực tổng bằngphương pháp mô phỏng số Từ đó bình luận về vùng ổn định của bẫy quanghọc sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều trong không gian

4 Đối tượng và nội dung nghiên cứu

A Đối tượng nghiên cứu:

- Bẫy quang học, quang lực

- Chùm laser, Xung Gauss

- Phân bố cường độ của chùm Gauss

- Phân bố quang lực của chùm Gauss

B Nội dung nghiên cứu:

- Thiết lập biểu thức tính phân bố cường độ laser và quang lực tác động

lên hạt điện môi của bẫy hai cặp chùm laser Gauss ngược chiều

- Khảo sát phân bố cường độ

- Khảo sát phân bố quang lực và bình luận về vùng ổn định của bẫy

5 Phương pháp nghiên cứu

- Lý thuyết về laser

- Lý thuyết về chùm Gauss

- Lý thuyết về bẫy quang học

- Phương pháp mô phỏng số dùng máy tính

6 Giả thiết khoa học

bẫy sử dụng hai cặp chùm Gauss ngược chiều.

- Đưa ra một số hình ảnh mô phỏng phân bố cường độ laser cũng nhưquang lực tác động lên hạt và có những bình luận xác đáng về tính ổn địnhcủa bẫy quang học

CHƯƠNG 1

MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ KẾT QUẢ CỦA BẪY

QUANG HỌC

Như chúng ta đã biết ánh sáng là các hạt photon, chuyển động trong chânkhông với vận tốc ánh sáng trong mọi hệ quy chiếu, có năng lượng nhất định

và có xung lượng Nếu photon đi từ môi trường có chiết suất khác với môitrường ban đầu thì nó sẽ bị phản xạ hoặc khúc xạ tại mặt phân cách, xunglượng của nó thay đổi về hướng và tuân theo định luật bảo toàn xung lượng

Sự thay đổi xung lượng của photon dẫn đễn hạt cũng thay đổi xung lượng vàsinh ra một lực tác dụng lên bề mặt phân cách, đó là quang lực[12, 13] Lựcnày được chia thành hai thành phần là lực Gradient và lực tán xạ LựcGradient tác dụng lên hạt hướng về vùng có cường độ cao nhất (đối với hạt cóchiết suất lớn hơn chiết suất của môi trường), hoặc đẩy hạt ra khỏi chùm tia(đối với hạt có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của môi trường) Và lực tán xạcủa một chùm tia đối xứng tác động theo hướng của chùm tia và đẩy hạt theohướng đó

1.2 Quang lực của hạt tác động lên hạt điện môi

Chúng ta xét cho trường hợp hạt có kích thước lớn hơn nhiều bước sóngcủa ánh sáng, chiết suất của hạt lớn hơn chiết suất của môi trường chứa hạt vàánh sáng coi là tập hợp các tia sáng thỏa mãn các định luật của quang hìnhhọc

các photon với bề mặt phân cách giữa hai môi trường điện môi có hệ số khúc

xạ khác nhau Trong điều kiện cơ bản, các photon phản xạ hoặc khúc xạ tại

bề mặt và vecto mômen động lượng thay đổi Hạt sẽ tiếp nhận phần độnglượng biến đổi này và bị kéo hoặc đẩy về hướng đối diện của phần mômenbiến đổi của photon

Xét tia sáng tới bề mặt phân cách của hai môi trường điện môi (Hình1.1) Một photon trong dòng của tia tới có động lượng:

in in in

rˆ là vecto đơn vị dọc theo đường đi của tia sáng

Hình 1.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách hai môi trường điện môi

Như đã biết, số sóng được biểu diễn:

0

2 2

λ

π λ

π medium in

n

j i

rˆin = sin( θ ˆ− cos( θ )ˆ (1.3)Trong đó: n medium là hệ số khúc xạ (chiết suất) của môi trường xung quanh

λ 0 là bước sóng trong chân không.

Thay (1.2) và (1.3) vào (1.1) ta có động lượng của tia tới sẽ là:

=



(1.4)Phân tích tương tự, chúng ta có thể tìm được biểu thức động lượng củaphoton truyền qua tại bề mặt là:

t t t

Tia truyền qua

Ở đây: kt, k t, rˆt lần lượt là vecto sóng, số sóng và vecto đơn vị dọc theohướng truyền của photon truyền qua.

Sử dụng:

0 0

2

λ

π particle particle

t

n k

φ φ

d t particlecos mediumcos ˆ

0

θ φ

dt

P d F





Trong đó: d P là độ thay đổi động lượng của bề mặt

1 /dt là số photon tới bề mặt trong một đơn vị thời gian

Lực tổng hợp tác dụng lên đối tượng được tính với mọi photon tới tácdụng lên nó Đối với hạt điện môi hình cầu, tia truyền qua (khúc xạ) có đường

Hình 1.2 Tia sáng đi ngang qua hạt điện môi hình cầu

Với d P1, d P2, và d P lần lượt là độ biến thiên động lượng của hạt ứngvới hai lần khúc xạ của tia sáng và độ biến thiên động lượng tổng hợp

Giả sử có một chùm tia có phân bố năng lượng được mô tả như trên hình1.3 hội tụ vào một điểm Hình 1.3a, những tia sáng khúc xạ tại mặt phân cáchcủa hạt điện môi và môi trường mà nó lơ lửng trong đó Chiết suất của hạtđiện môi coi như lớn hơn chiết suất của môi trường Những photon của tiasáng K bị khúc xạ về phía phải, dẫn đến một lực xuất hiện về phía trái Tương

tự, tia sáng L làm xuất hiện lực hướng về phía phải Nếu cường độ của chùmtia sáng K lớn hơn cường độ của chùm tia sáng L thì kết quả là: lực tổng hợp

có một thành phần hướng sang trái và hạt được kéo tới vùng có cường độ caonhất

Ngoài ra, vị trí hạt được thay đổi dọc theo trục chùm tia gần với tiêuđiểm của chùm tia Hình 1.3b, chùm sáng giới hạn bởi hai tia M và N cócường độ như nhau hướng lên hội tụ tại một điểm f, là tiêu điểm chính củachùm laser Khi hạt ở phía trên tiêu điểm, chùm laser sẽ tạo ra một lực hướngxuống, là lực phục hồi hướng về phía tiêu điểm f

Hình 1.3 Sử dụng thấu kính hội tụ chùm tia vào một điểm (a) Hạt bị kéo về vùng có cường

độ lớn (b) Hạt bị kéo về tiêu điểm chính của chùm laser

Tương tự, khi hạt ở dưới tiêu điểm thì xuất hiện một lực hướng lên Tuynhiên, hạt cũng bị đẩy về phía trước, một phần do sự phản xạ tại bề mặt (Hình1.4)

Hình 1.4 Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt hạt điện môi

Để bù cho thành phần lực này và giam hạt trong không gian ba chiều,Ashkin lần đầu tiên sử dụng hai chùm tia truyền lan ngược chiều nhau

Nếu môi trường chứa hạt điện môi có chiết suất lớn hơn chiết suất củahạt thì hạt sẽ bị đẩy ra khỏi chùm tia

Trường hợp hạt chất điện môi rất nhỏ so sánh được với bước sóng ánhsáng, có thể coi hạt như một lưỡng cực tương tác với trường ánh sáng Lực tácdụng lên hạt chính là lực Lorentz do tác dụng Gradient trường điện (Hình1.5)

f

F

Hình 1.5 Lực tác dụng lên hạt điện môi có kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng.

Sử dụng chùm tia có mặt cắt dạng Gauss, lực Lorentz hướng về phía tiêuđiểm và được xác định bằng:

F ρ , , =  ρ , , ∇  ρ , , + ∂  ρ , , × ρ , , =  +  (1.13)Trong đó:

E là vecto cường độ điện trường

2 2

n ε π

α là hệ số phân cực của một hạt hình cầu trong chế độRayleigh

2

1 ,

( ) ( )2

2

1 ,

1 ,

, 2

, ,

F

t t

2 ,z n c E z

(1.20)Trong đó: ε 0 là hằng số điện thẩm trong chân không, với quan hệ

0 0

1

µ ε

2

1 ˆ ,

0 2

ρ α ε ρ

Lực gadient hướng về vùng có cường độ cao nhất, ví dụ hướng về trụccủa chùm Gauss và hướng về tiêu điểm nếu chùm Laser được hội tụ (Hình1.6)

Hình 1.6 Quang lực tác dụng lên hạt điện môi hình cầu trong chế độ Rayleigh

Chúng ta sử dụng phép gần đúng Rayleigh (bỏ qua hiện tượng hấp thụ vàhạt là hình cầu), khi đó biểu thức xác định lực Gradient là:

a

)

b

(1.22) Trong đó: là bán

kính của hạt, là vận tốc ánh sáng, là cường độ ánh sáng

Lực tán xạ gây bởi áp suất bức xạ trên hạt Sự bức xạ là tự phát và đẳnghướng sinh ra bởi những nguyên tử hay những phân tử Như vậy, hai thànhphần động lượng nhận được bởi phân tử: một dọc theo sự truyền lan chùm tia

và một đối diện với hướng của photon phát xạ Các photon phát xạ là dẳnghướng, dẫn đến lực tổng hợp trùng với hướng của dòng photon tới

Lực tán xạ được định hướng dọc theo sự truyền lan của ánh sáng vàđược cho bởi biểu thức;

0 2

2 2 4

6 5

2

1 3

128

I m

m a c

n

F medium scat  + 

thuộc nhiều hơn vào và

1.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bẫy quang học

1.3.1 Định nghĩa xung Gauss

Áp lực bức xạ tác dụng lên hạt do sự biến thiên xung lượng của cácphoton khi chiếu vào hạt một xung laser Gauss gọi là quang lực của xungGauss Quang lực của xung laser Gauss luôn có xu hướng kéo hạt về phía tâmcủa xung nếu chiết suất của hạt lớn hơn chiết suất của môi trường, do sự phân

bố cường độ không đồng nhất theo không gian của xung Gauss[14] Nếu môitrường chứa hạt điện môi có chiết suất lớn hơn chiết suất của hạt thì hạt bị đẩy

ra khỏi chùm tia

1.3.2 Cường độ xung laser Gauss

Kết hợp với phân bố không gian của cường độ chùm Gauss trong biểuthức

2 exp ) (

2 )

π ρ

=

2

2 2 0

2 0

0

4

2 exp

/ 2 ,

,

,

,

τ

ρ ρ

z t z

kw kz i ikz t iw kw

z i

iE x t z E

x

t

z

Trong đó: w0 là bán kính của mặt thắt chùm tia tại mặt phẳng z = 0

ρlà tọa độ xuyên tâm.

x là vecto đơn vị dọc theo hướng trên trục x

0 4 2U/ n cw

Trong

đó, 2 2 /[ ( ) 2 ],

0 2 /

không gian và thời gian và zˆ là vecto đơn vị dọc theo hướng truyền củachùm tia

1.3.3 Quang lực của đơn xung Gauss tác dụng lên hạt điện môi

Giả sử chúng ta chiếu một chùm xung Gauss cận trục bức xạ lên một hạtđiện môi hình cầu trong chế độ Rayleigh( nghĩa là kích thước hạt nhỏ hơnnhiều bước sóng của xung laser ) Khi đó, hạt điện môi có thể coi như mộtđiểm lưỡng cực điện Trong phép gần đúng này, đối với laser phát liên tục,lực bức xạ lên hạt điện môi bao gồm lực tán xạ Fscat và lực gradient Fgrad, trong

đó Fgrad xuất hiện do sự phân bố trường không đồng nhất của chùm tia, đối vớilaser xung, Fgrad là một thành phần của lực trọng động Trong môi trườngloãng - môi trường trong đó không có sự tương tác lưỡng cực - lưỡng cực,lực trọng động FP đơn giản là lực Lorentz, từ công thức (1.13) ta thấy, đốivới laser liên tục, đại lượng thứ hai ở biểu thức (1.13) luôn luôn bằng không.Trong trường hợp ta đang xét, dùng xung ngắn, ngoài thành phần Fgrad, thành

− +

=

=

=

2 2 0 2

2 2

~

~ 2 exp

~ 4 1

~ 2 exp

~ 4 1 ˆ , , ˆ ,

, ,

,

τ

ρ ρ

ρ ρ

c

kw z t z

z

P z t z I z t z S

t

z

I

T

phần thứ hai trong biểu thức trên Ft đóng một vai trò quan trọng cho việc thaotác các hạt nhỏ Thế các biểu thức (1.25) và (1.27) vào biểu thức (1.13), lậpluận tương tự trong công trình nghiên cứu của Zhao[15,16], chúng ta có thểthu được tất cả các thành phần của lực trọng động như sau:

( ) [ ( 2) ]

0 0 2

−

−

2 2

4 0 2 0 0 2

,

~ 4 1

~ 2

~ 4 1

~ 2

~

~ , , 2 ˆ

z

z z c

w t k c

w k z ckw n

t z I z

τ τ

0 , , ~/ ˆ 8~ , , / 8

2 3 0

2 2

n ε π

chế độ Rayleigh, ρ ˆ là vecto đơn vị theo hướng xuyên tâm, I là cường độxung Gauss được xác định theo biểu thức (1.28) Lực Fscat là thành phần tỷ lệvới cường độ xung laser và hướng dọc theo chiều dương của trục z, khi đó ta

có thể viết lại như sau:

1 3

/

hình cầu trong chế độ Rayleigh Từ các biểu thức (1.29) và (1.30) chúng tatìm được độ lớn của các lực bức xạ Những thành phần F grad,z và F t bị ảnhhưởng bởi độ rộng xung Quan sát các công thức ta thấy cả thành phần dọc vàthành phần ngang của lực Gradient đóng vai trò như lực phục hướng về phíatrung tâm của xung với hạt có m > 1, mặc dù độ lớn của những lực này sẽthay đổi ứng với các thời gian xung khác nhau

1.3.4. Nguyên lý hoạt động của bẫy quang học

Ở phần trên chúng ta đã đưa ra kết quả công thức tính quang lực củachùm Gauss tác dụng lên hạt điện môi hình cầu trong chế độ Rayleigh Từ đó

ta thấy có hai thành phần quang lực dọc F và quang lực ngang Fgrad, ρ tác

gradient có tác dụng như lực phục hồi hướng về phía trung tâm của chùm chohạt có m> 1, còn lực tán xạ Fscat đẩy hạt theo hướng lan truyền của chùm tia.

Từ đó, dẫn đến có thể sử dụng một chùm Gauss để bẫy hạt trong không gian

ba chiều, và chùm tia phải chiếu thẳng đứng từ dưới lên để lực tán xạ cânbằng với trọng lực của hạt, cấu trúc này gọi là bẫy dọc đã được Ashkin sửdụng đầu tiên để giam hạt trong không gian ba chiều Tuy nhiên, nếu cấu hìnhbẫy nằm ngang thì phải sử dụng hai chùm tia lan truyền ngược chiều nhau đểcác thành phần lực tán xạ triệt tiêu nhau

1.4 Bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều

Mẫu bẫy quang học tạo bởi hai chùm Gauss truyền lan ngược chiều được

mô tả trên hình 1.8

Hình 1.8 Mô hình bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều

Hộp Mẫu LASER

Kính Lọc

Gương Lưỡng Sắc

Thấu Kính Hội tụ

Hai chùm tia từ hai nguồn laser được đưa vào hai hệ telescop hội tụ nhờhai gương lái tia lưỡng sắc Tiêu điểm của hai telescop trùng nhau tại mộtđiểm trong hộp mẫu Hai laser bán dẫn (hoặc hai LED phát quang) có nhiệm

vụ chiếu vào mẫu để xác định vị trí của mẫu và đóng vai trò nguồn kích thíchhuỳnh quang Hai camera CCD có nhiệm vụ ghi lại hình ảnh vị trí của mẫu,đồng thời ghi nhận phổ huỳnh quang của mẫu Tuy nhiên, trong thực tế tiêuđiểm của hai telescop không thể trùng nhau tuyệt đối và không nhất thiết phảitrùng nhau Điều này hoàn toàn có thể giải thích vì cần có một vùng bẫy nhấtđịnh, trong đó chứa mẫu cần nghiên cứu Thông thường hai tiêu điểm nằmcách nhau một khoảng từ 100nm đến 250 nm Khoảng cách này ảnh hưởnglớn đến giá trị của quang lực tổng tác động lên mẫu Tuy nhiên, việc lựa chọngiá trị của lực và giá trị của không gian bẫy phụ thuộc vào các tham số củamẫu (của hạt điện môi)

1.5 Một số kết quả của bẫy quang học sử dụng một cặp chùm Gauss ngược chiều

1.5.1 Phân bố cường độ tổng của hai xung Gauss ngược chiều

Vị trí của hai xung Gauss trong bẫy quang học có thể xảy ra hai trườnghợp:

1, Hai mặt thắt của các chùm xung Gauss không vượt qua vùng trường xa củanhau, khi này khoảng cách giữa hai mặt thắt được kí hiệu là d > 0

2, Hai mặt thắt vượt qua vùng trường xa thì d < 0

Giả sử hướng phân cực của điện trường theo trục x Giả thiết mặt thắtcủa chùm Gauss bên trái có vị trí –d/2 và của chùm bên phải là d/2 trên trụctọa độ z = 0 tại tâm bẫy Vậy vị trí có tọa độ z sẽ cách mặt thắt chùm tia bêntrái một khoảng là z + d/2 và cách mặt thắt chùm tia bên phải là z - d/2 Thaycác giá trị vào biểu thức (1.25) ta thu được biểu thức tính cường độ điệntrường của các chùm tia Gauss

−

− +

− +

+

=

2

2 2

2

0

2 2 2 0

2 2

2

0

2

0 2

0 0

/ 2 / exp

2 / 4 exp

2 / 4

2 / 2

exp

2

/ exp

2 / 2 ˆ

,

,

,

τ ρ

ρ ρ

c d z t d

z kw

kw

d z kw

d z k

i

t w d

z k i d

z ikw E x d

=

2

2 2

2

0

2 2 2 0

2 2

2

0

2

0 2

0

2 0 0

/ 2 / exp

2 / 4 exp

2 / 4

2 / 2

exp

.

2 / exp

2 / 2 ˆ

,

,

,

τ ρ

ρ ρ

c d z t d

z kw

kw

d z kw

d z k

i

t w d

z k i d

z ikw

ikw E

x d

ρlà tọa độ xuyên tâm.

xˆ là vecto đơn vị dọc theo hướng phân cực trên trục x

0 2

2 0

0 2 ,

~

~ 4 1 /

~ , ,

~ , , , 2 ˆ ,

,

,

d z w

cn d

t z

I

d z w

cn d

t z I d

ε ρ ρ

α

ρ

ε ρ ρ

α ρ ρ

−

− +

+

− +

−

=

2 2

2 2 2

2 2 4 2 2

2 2 2

2 2 4 2 2

0 2

, , ,

~

~ 4 1

~ 2

~

~ 4 1

~

~ 2

~

~

~ 2

ˆ

~

~ 4 1

~ 2

~

~ 4 1

~

~ 2

~

~

~ 2

ˆ

d z

d z d

z c

w t k c

w k d z ckw

n

I

z

d z

d z d

z c

w t k c

w k d z ckw n

I z

grad

ρ τ

τ ε

α

ρ τ

τ ε

0

2

2 0 0

0

, , ,

~

~ 8 ˆ

~ , , ,

8

ˆ

, , ,

~

~ 8 ˆ

~ , , , 8

ˆ

τ

ρ α

µ τ

µ τ

ρ α

µ

c

kw d t z I d z z t d t z I

z

c

kw d t z I d z z t d t z I

z

F

r r

l l

t

− +

+

+ +

1.6 Ứng dụng của bẫy quang học

Bẫy quang học có nhiều ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực khác nhau

1.6.1. Trong sinh học

Người ta có thể sử dụng bẫy quang học để nghiên cứu những thuộc tínhquang, cơ của tế bào và những đại phân tử, kéo căng chuỗi DNA, có thể canthiệp trong quá trình vận chuyển hay tạo lập các chất hữu cơ của cơ thể sinhvật Trong tương lai nó có thể dùng để điều chỉnh sự tiếp nhận - đào thải củanhiều chuỗi hợp chất hữu cơ có trong protein và khám phá thông số nănglượng của những quá trình chưa thấy được trong cơ thể người Dùng bẫyquang ta có thể can thiệp vào cơ thể sống ở mức phân tử và điều chỉnh theo ýmuốn của chúng ta Chẳng hạn, từ một mẫu nhỏ có hàng triệu vi khuẩn, một

vi khuẩn có thể được nhặt lên và được di chuyển tới nơi mà những nghiên cứu

chúng ta có thể bẫy những nhiễm sắc thể và cắt chúng thành những phần nhỏ.

1.6.2 Trong y học

Bẫy quang học được dùng trong việc thụ tinh trong ống nghiệm, sử dụng

để chữa bệnh vô sinh Một tia Laser cực tím được dùng để cắt một lỗ ở vỏngoài của trứng và dời tinh trùng đến đầu của trứng Rồi trực tiếp dùng bẫyquang học để đặt tinh trùng vào trong trứng, do đó tăng cơ hội thụ tinh Hơnnữa bẫy quang học có thể giúp đỡ các phần tử vô tính lớn lên Một phần tử vôtính lớn lên tiến tới một màng mỏng, và bẫy quang học có thể dùng để đặtmàng mỏng gần một phần tử vô tính, việc này dùng để cấy tủy sống Bẫyquang học cũng được dùng để cô lập và di chuyển những tế bào ung thư loại

ra khỏi cơ thể sống Những nghiên cứu này rất quan trọng đối với sự khámphá của chúng ta về hệ gen của con người

1.6.3 Trong vật lý

Trong lĩnh vực vật lý, bẫy quang học có thể kết hợp với hệ làm lạnh đểtạo ra hệ đậm đặc Bose-Einstein, trạng thái thứ năm của vật chất, ở đó cónhững tính chất đặc biệt để kiểm nghiệm những định luật vật lý Trong vật lýchất keo, bẫy quang học được ứng dụng để nghiên cứu tương tác của các hạtnhỏ với nhau

1.6.4 Trong nghiên cứu công nghệ nanô

Trong nghiên cứu công nghệ nanô, bẫy quang học được ứng dụng đểđiều khiển các thành phần vi cơ và đo các thông số của hệ thống Hơn thếnữa, hệ thống bẫy quang học không chỉ để bẫy hạt mà còn là nền tảng chokhảo sát tương tác giữa laser với những hạt nhỏ Bằng việc mở rộng những