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: PGS.TS Hồ Quang Qúy 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 bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi… giờ… ngày… tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân Thư viện quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đến nay, có nhiều công trình nghiên cứu lực quang học, bẫy quang học kìm quang học lý thuyết thực nghiệm, kết đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, đời sống [15], [20], [24], [29], [30], [32], [35], [44], [45], [62] Để bẫy vi cầu, nhà khoa học dùng chùm tia laser có phân bố dạng hàm Gaussian cho vi cầu có chiết suất lớn chiết suất môi trường chất lưu [21] chùm dạng hàm Hollow - Gaussian cho vi cầu có chiết suất nhỏ chiết suất môi trường chất lưu [20], [25], [38], [48], [43] Về lý thuyết, quan tâm đến quang lực tác động lên vi cầu có khác kích thước, hình dạng, thông qua chế độ Mie, Rayleigh Tuy nhiên, chùm laser hội tụ, cường độ tâm kìm lân cận lớn, dẫn đến xuất hiệu ứng Kerr Khi đó, vi cầu môi trường chất lưu có hệ số chiết suất phi tuyến bậc ba cao, đặc biệt với chất lưu chất hữu hay vi cầu phân tử sống mà ta chưa hiểu rõ chất cần phải xem xét nghiên cứu thêm hiệu ứng Kerr trình bẫy Trong thực nghiệm, số trường hợp vi cầu không ổn định trình bẫy khó điều khiển Có thể xuất hiệu ứng Kerr (như nói trên) ta bẫy vi cầu (nhạy với hiệu ứng Kerr) vi cầu môi trường chất lưu (nhạy với hiệu ứng Kerr) Vì đó, chiết suất vi cầu chất lưu thay đổi, kéo theo thay đổi điều kiện bẫy, mà gây nên tượng tự hội tụ chùm tia Gaussian, làm chùm tia bị biến dạng lần Các thay đổi ảnh hưởng đến độ lớn phân bố quang lực không gian chất lưu, tức ảnh hưởng đến vùng bẫy vùng ổn định bẫy Nhằm mục đích quan tâm vấn đề bỏ ngỏ, để bổ sung cho lý thuyết thực nghiệm với có mặt hiệu ứng Kerr trình bẫy, giải thích số trường hợp không bẫy được, thay đổi cường độ chùm bẫy được, đề xuất đề tài luận án là: “Phân bố lực không gian kìm quang học Kerr sử dụng chùm tia Gauss” * Mục đích nghiên cứu: Nhằm tác động hiệu ứng Kerr trình bẫy vi cầu phi tuyến (hoặc vi cầu nhúng môi trường phi tuyến) định hướng cho thực nghiệm, khảo sát phân bố chiều quang lực tác động lên vi cầu có chiết suất phi tuyến (hoặc tuyến tính) nhúng môi trường tuyến tính (hoặc môi trường phi tuyến - môi trường Kerr) * Phương pháp nghiên cứu: Trên sở cấu hình kìm quang học Kerr, lý thuyết kìm quang học quang phi tuyến, dẫn biểu thức tường minh cho quang lực dọc quang lực ngang Sử dụng phần mềm Maple, mô phân bố cường độ chùm laser Gaussian, quang lực dọc, ngang không gian hai chiều ba chiều Từ kết mô phỏng, phân tích bình luận điều kiện hoạt động kìm quang học ổn định vi cầu * Nội dung nghiên cứu: Mô phân bố (hai chiều) quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính (hoặc phi tuyến) mặt phẳng mẫu phi tuyến (hoặc tuyến tính); Khảo sát ảnh hưởng tham số 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 phân bố mặt phẳng mẫu Mô phân bố (ba chiều) quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính khối môi trường phi tuyến Khảo sát ảnh hưởng tham số 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 ngang) phân bố khối chất lưu môi trường phi tuyến * Ý nghĩa lý luận, thực tiễn luận án: Các nghiên cứu trước chưa quan tâm tới hiệu ứng Kerr trình bẫy Nội dung luận án bổ sung cho lý thuyết thực nghiệm bẫy quang học với có mặt hiệu ứng Kerr trình bẫy, định hướng lựa chọn tham số thực nghiệm giải thích số trường hợp không bẫy Nội dung luận án trình bày theo cấu trúc sau: Chương Kìm quang học: Công cụ bẫy điều khiển vi hạt: Tổng quan hệ thống số kết nghiên cứu kìm quang học, rút điểm cần quan tâm cho chương sau Chương Phân bố lực kìm quang học tuyến tính: Trên sở mẫu kìm sử dụng chùm tia môi trường tuyến tính (không nhạy với hiệu ứng Kerr), mô phân bố quang lực không gian chiều, khảo sát ảnh hưởng số tham số quang học, đặc biệt tỉ số chiết suất lên quang lực Chương Phân bố lực kìm quang học Kerr hai chiều: Đề xuất kìm quang học dùng chùm tia dạng sóng phẳng bẫy vi cầu tuyến tính (phi tuyến) mặt phẳng chất lưu phi tuyến (tuyến tính), dẫn biểu thức tường minh quang lực tác động lên vi cầu có tham gia hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser, khảo sát ảnh hưởng tham số lên hoạt động kìm ổn định vi cầu Chương Phân bố lực kìm quang học Kerr ba chiều: Đề xuất kìm quang học dùng chùm tia Gaussian bẫy vi cầu tuyến tính nhúng khối chất lưu (chứa vi cầu) có tính chất phi tuyến (cho khối chất lưu mỏng có độ dày đáng kể) Trên sở cấu hình kìm dẫn biểu thức quang lực tác động lên vi cầu có tham gia đồng thời hiệu ứng chiết suất thay đổi theo cường độ laser hiệu ứng tự hội tụ Khảo sát bình luận ảnh hưởng tham số lên hoạt động kìm tính ổn định vi cầu Kết luận: Nêu tóm tắt nội dung thực số kết chính, luận án Chương KÌM QUANG HỌC: CÔNG CỤ BẪY VÀ ĐIỀU KHIỂN VI CẦU 1.1 Quang lực Quang lực áp lực tác động xạ vùng quang học lên vật [10], [11], dùng để mô tả áp lực chùm laser tác động lên vi cầu điện môi Khi chùm laser hội tụ lên vi cầu điện môi có nhiều dạng quang lực khác tác động lên như: Quang lực tán xạ, quang lực gradient, quang lực chế độ Mie, Rayleigh 1.2 Nguyên lý hoạt động a Phân bố quang lực gradient ngang gây chùm laser TEM00 Một chùm laser sóng phẳng với cường độ  2  I (  )  I exp     0  (1.16) tác động lên vi cầu lực ngang   2   I  Fgrd,  ( r )   ˆ exp    02  0  (1.17) đó,  hệ số phân cực b Phân bố quang lực dọc gây chùm laser TEM00 dạng sóng Gaussian lên vi cầu điện môi Một chùm laser có cường độ không gian ba chiều [18]:  2   W0  I ( , z)  I0   exp   W ( z )  W ( z )    (1.18) Sẽ tác động lên vi cầu nằm trục chùm tia lực dọc  2 I Fgrd, z ( z )  zˆ z0 z  z  1    z0  (1.20) (a) Hình 1.5 Mô tả chùm laser Gaussian Hình 1.7 Phân bố quang lực dọc: a) Trên trục chùm tia; b) Cách trục khoảng =2W0 (b) * Khi m>1, phân bố có dạng đối ngẫu qua tâm (tại điểm z=0), vi cầu bị kéo vào tâm (hình 1.7a) Khi vi cầu nằm điểm cách trục chùm tia khoảng  bị kéo vào điểm (,0) với quang lực nhỏ (hình 1.7b) * Khi mnm : * Năng lượng tổng U: Hình 3.11 * Bán kính thắt chùm W0: Phân bố quang lực trục hướng tâm (hình 3.11) có tham số W0=1μm, nnl =1 10-14cm2/W, với lượng: U=2mJ (a); 3mJ (b); mJ (c) mJ (d) Ta thấy tăng lượng chùm quang lực tăng, vùng bẫy mở rộng thêm Phân bố quang lực 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, 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 trục hướng tâm, U=2mJ , W0=1μm, (hình 3.13) với: nnl =1 10-14cm2/W (a); 10-14cm2/W (b); 10-14cm2/W (c); 10-14cm2/W (d); Ta thấy, tăng hệ số chiết suất, quang lực tăng, vùng ổn định không đổi Hình 3.13 3.3.3 Ảnh hưởng tham số lên quang lực nh[...]... cường độ chùm tia trong chất lưu Kerr tái phân bố nên quang lực tác động lên vi cầu tuyến tính cũng phân bố lại Khi chỉ tính đến quang lực gradient, tâm kìm quang học Kerr sẽ dịch trong chất lưu, một khoảng về phía mặt phẳng vào của chất lưu Trong khi quang lực dọc tổng làm tâm kìm chuyển về phía trung tâm của chất lưu KẾT LUẬN CHUNG Đã khảo sát phân bố của quang lực tác động lên vi cầu trong không gian. .. 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... lưu Kerr) : Cường độ chùm laser Gaussian sẽ tái phân bố, vị trí của tâm kìm quang học Kerr sẽ thay đổi so với vị trí tâm kìm tuyến tính có cùng sơ đồ cấu trúc quang Những đóng góp mới: - Đã chỉ ra được vai trò của tỷ số chiết suất đến phân bố ba chiều của quang lực (dọc và ngang) trong kìm quang học tuyến tính sử dụng chùm Gaussian - Đã khẳng định được sự ảnh hưởng của hệ số chiết suất phi tuyến lên phân. .. 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. .. Ảnh hưởng của tỉ số chiết suất tuyến tính, năng lượng tổng và bán kính mặt thắt chùm Gaussian lên phân bố quang lực tác động lên vi cầu trong không gian 3 chiều của kìm tuyến tính; Ảnh hưởng của năng lượng tổng, bán kính mặt thắt của chùm laser Gaussian và hệ số chiết suất phi tuyến lên phân bố quang lực ngang tác động lên vi cầu tuyến tính nhúng trong chất lưu Kerr (hoặc vi cầu Kerr nhúng trong môi... thắt chùm sao cho nh  nnl I P     nm , thì phân bố quang lực trên mặt phẳng xuất hiện hai vùng: Vùng “bẫy” lân cận tâm kìm, hướng của quang lực ngược với chiều chuyển động cuả vi cầu; Vùng không bẫy” bao ngoài vùng “bẫy”, hướng quang lực trùng với chiều chuyển động của vi cầu Chương 4 PHÂN BỐ LỰC TRONG KÌM QUANG HỌC KERR 3 CHIỀU 4.1 Trường hợp khối chất lưu mỏng Với giả thiết, một chùm laser. .. hệ số chiết suất phi tuyến lên phân bố quang lực ngang trong kìm quang học Kerr hai chiều, tìm điều kiện ổn định của vi cầu - Đã khẳng định được sự ảnh hưởng của hiệu ứng tự hội tụ lên phân bố quang lực (dọc và ngang) trong kìm quang học Kerr ba chiều, tìm điều kiện ổn định của vi cầu CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN 1 Ho Quang Quy, Hoang Dinh Hai, Hoang Van... với m>1: Phân bố quang lực và hoạt động như kìm tuyến tính, hiệu quả kìm tăng khi năng lượng tổng, hệ số chiết suất phi tuyến tăng và bán kính thắt chùm giảm - Trong kìm Kerr (vi cầu Kerr, chất lưu tuyến tính) với m