Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học Vinh đỗ ích tình ảnh hởng của độ nhớt lên sự ổn định của bẫy quang học sử dụng hai xung gauss ngợc chiều LUậN VĂN THạC Sĩ VậT Lý Vinh - 2009 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học Vinh đỗ ích tình ảnh hởng của độ nhớt lên sự ổn định của bẫy quang học sử dụng hai xung gauss ngợc chiều Chuyên ngành: quang học Mã số: 62 44 11 01 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS: Hồ Quang Quý Vinh 2009 Lời cảm ơn Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo PGS.TS. Hồ Quang Quý, ngời đã giúp tôi định hớng đề tài, tận tình, chu đáo và dành nhiều công sức chỉ dẫn cho tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lý, các thầy giáo: PGS.TS. Hồ Quang Quý, TS. Vũ Ngọc Sáu, TS. Nguyễn Văn Hóa và các thầy cô đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, tạo điều kiện cho tôi trong thời gian hoàn thành luận văn. Vinh, tháng 10 năm 2009. Tác giả Mục lục Trang Mục lục 1 MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1: BẪY QUANG HỌC 1.1. Photon 6 1.2. Chùm laser Gauss và xung laser Gauss 10 1.2.1 Chùm laser Gauss 10 a. Khái niệm 10 b. Một số đặc trưng của chùm Gauss 10 1.2.2 Xung laser Gauss 12 a. Khái niệm 12 b. Cường độ xung Gauss 13 1.3. Quang lực xung Gauss 14 1.3.1. Quang lực của đơn xung Gauss tác động lên hạt điện môi 14 1.3.2. Quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi 16 a. Phân bố năng lượng tổng của hai chùm Gauss ngược chiều 16 b. Quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác dụng lên hạt điện môi 18 1.4. Cấu hình của bẫy quang học 19 1.5. Ứng dụng của bẫy quang học 20 1.6. Kết luận 22 Chương 2. SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC 2.1. Môi trường chứa hạt mẫu 23 2.2. Các lực tác động lên hạt mẫu 23 2.3. Quá trình động học của hạt trong chất lưu, phương trình Langervin 24 2.3.1 Lực khuếch tán 24 2.3.2 Lực trọng trường và lực Acimet 24 2.3.3. Chuyển động Brown 25 2.3.4. Phương trình Langevin mô tả chuyển động của hạt trong trường trọng lực 28 2.4. Quá trình động học của hạt dưới tác động của bẫy quang học 30 2.5. Độ bền của bẫy quang học 31 2.6. Phương pháp mô phỏng 32 2.7. Kết luận 33 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NHỚT LÊN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU 3.1. Phân bố quang lực của hai xung Gauss ngược chiều tác động lên hạt điện môi 35 3.1.1. Phân bố của lực F grad trong mặt phẳng pha (ρ,t) 36 3.1.2. Phân bố của lực F grad, ρ trong mặt phẳng pha (z,ρ) 36 3.1.3. Phân bố của lực F z trong mặt phẳng pha (z,t) 38 3.2. Ảnh hưởng độ nhớt của các môi trường trong bẫy 39 3.2.1. Quá trình chuyển động Brown của hạt thủy tinh trong môi trường chứa mẫu bẫy khi chưa có quang lực 39 3.2.2. Ảnh hưởng của môi trường điện môi lên sự ổn định bẫy quang học khi hạt ở biên 40 3.2.3. Ảnh hưởng của độ nhớt của môi trường bẫy lên hạt ở tâm 45 3.3. Kết luận 50 KẾT LUẬN CHUNG 51 52 MỞ ĐẦU Bẫy quang học hay kìm quang học là các thiết bị giam giữ các đối tượng nghiên cứu có kích thước cỡ nguyên tử: Các hạt điện môi, các nguyên tử được làm lạnh, hồng cầu, các tế bào lạ … Nguyên lý hoạt động của bẫy quang học dựa trên sự tác động của quang lực lên các hạt có kích thước cỡ nanomet. Hiện nay bẫy quang học đã được đề cập nghiên cứu bằng lý thuyết, thực nghiệm và đã đưa vào khảo sát quá trình hoạt động của của một số hạt kích cỡ nano. Mục tiêu của bẫy quang học là ổn định được đối tượng nghiên cứu, quá trình ổn định này phụ thuộc rất nhiều điều kiện như: Cấu hình của bẫy, độ lớn của quang lực, mặt thắt chùm tia, độ lớn của lực Brown, độ lớn của kích thước hạt, chiết suất của hạt, nhiệt độ môi trường, tác động của lực hấp dẫn, … Những vấn đề này vẫn còn bỏ ngõ cả về lý thuyết và thực nghiệm. Hiện nay có một số đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước như: Chế tạo kính hiển vi laser quét đồng tiêu [7] ứng dụng nghiên cứu tế bào lạ, vi khuẩn, … Nghiên cứu hệ làm lạnh quang từ [9] để làm lạnh nguyên tử là những đề tài cần đến quá trình ổn định các đối tượng nghiên cứu. Để có được những luận cứ khoa học về ổn định của các đối tượng khi sử dụng các thiết bị trên cần có những nghiên cứu cụ thể, trước hết về mặt lý thuyết, nhằm mục đích định hướng cho quá trình xây dựng thực nghiệm. Từ những năm 1970, Ashkin, đã có ý tưởng sử dụng chùm laser để giam giữ các hạt có kích thước cỡ micro và nano [10]. Từ đó đến nay nhiều công trình nghiên cứu về bẫy quang học đã được quan tâm nghiên cứu [11,12,13,15,14,16]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào bẫy quang học sử dụng chùm laser liên tục có quang lực cỡ hàng trăm pN, hay sử dụng một xung Gauss có độ rộng xung lớn hiệu suất bẫy không cao, chưa đề cập đến chuyển động Brown của đối tượng nghiên cứu trong môi trường, hơn nữa cũng chưa quan tâm đến độ lớn của vùng ổn định, độ lớn của kích thước hạt, nhiệt độ môi trường, độ nhớt, tác động của lực hấp dẫn … Cho đến năm 2007, nhiều công trình trên thế giới đã công bố kết quả nghiên cứu về bẫy quang học, đặc biệt các kết quả sử dụng bẫy quang học nghiên cứu các đối tượng sinh học, hoá học. Sử dụng bẫy quang nghiên cứu bạch cầu và hồng cầu trong tế bào sống [15], nghiên cứu về hạt vàng nano [14], đo kích thước của các hạt kích thước micromet [8]. Từ những kết quả nghiên cứu trên xuất hiện vấn đề cần đề cập là ảnh hưởng của các yếu tố khác lên đối tượng nghiên cứu gây nên sự mất ổn định của mẫu. Mới đây nhất Volpe và cộng sự đã nghiên cứu chuyển động của Brown trong môi trường dưới tác dụng của trường trọng lực không đồng nhất và trường quang [16]. Tuy nhiên, chưa đề cập đến việc ứng dụng các kết quả này vào quá trình ổn định của bẫy quang học. Những vấn đề trên cũng chưa được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam cả về lý thuyết, thực nghiệm và ứng dụng. Việc chưa có nhóm nghiên cứu nào quan tâm có thể do chưa thấy được đối tượng ứng dụng trong thực tế và những khó khăn về tài chính và thiết bị hiện đại. Sau khi Bộ KHCN có hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị laser vào nghiên cứu y học, sinh học, đặc biệt là kính hiển vi sử dụng laser và thiết bị làm lạnh nguyên tử, chúng tôi có ý tưởng nghiên cứu về bẫy quang học nhằm hổ trợ các thiết bị trên. Tuy nhiên trong giới hạn của luận văn chúng tôi chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường điện môi lên quá trình ổn định của hạt trong bẫy quang học Gauss, đó là lý do mà tôi chọn đề tài là: “Ảnh hưởng của độ nhớt lên sự ổn định của bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss ngược chiều ” Mục tiêu của đề tài là đưa ra được các luận cứ có tính khoa học, xây dựng các điều kiện để có thể ổn định được các hạt có kích thước nano bằng bẫy quang học. Những vấn đề nghiên cứu của luận văn được trình bày theo bố cục sau: - Chương 1: Bẫy quang học - Chương 2: Sự ổn định của bẫy quang học - Chương 3: Ảnh hưởng của độ nhớt lên sự ổn định của hạt trong bẫy quang học - Phần kết luận chung: Nêu những vấn đề đã được nghiên cứu và hướng phát triển mới của luận văn. Chương 1. BẪY QUANG HỌC 1.1. Photon Năm 1905, từ các kết quả nghiên cứu Einstein đã chỉ ra ánh sáng có tính hạt, chùm ánh sáng hay còn gọi là chùm photon. Photon không có khối lượng nghỉ nhưng có động lượng. Theo lý thuyết tương đối, photon luôn phải chuyển động với tốc độ ánh sáng trong chân không, trong mọi hệ quy chiếu. Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Theo thuyết tương đối ta có : E 2 = p 2 c 2 + m 0 2 c 4 (1.1) trong đó E là năng lượng của hạt, p là động lượng của hạt, m 0 là khối lượng nghỉ. Như vậy, photon có động lượng, khi đi vào môi trường có chiết suất khác với môi trường ban đầu, tia sáng sẽ khúc xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường, động lượng của photon thay đổi về hướng, thỏa mãn định luật bảo toàn về động lượng [1]. Khi đó, sự thay đổi động lượng của photon truyền qua hạt và sinh ra một lực tác dụng lên hạt, đó là quang lực [10]. Để thấy rõ hơn về điều này trên chúng ta xét tia tới mặt phân cách từ môi trường chiết suất n 1 sang môi trường chiết suất n 2 . Động lượng của một photon là : in in in in P k k r= = r r r h h (1.2) Ở đây, h =h/2 π , với h là hằng số Plank, in k r và in k là vectơ sóng và số sóng tương ứng, in r r là vectơ đơn vị dọc theo đường đi của tia sáng tới. Như đã biết, số sóng được biểu diễn: y x y Tia tới Tia truyền qua Tia phản xạ θ θ φ Hình 1.1. Sự Phản xạ và Khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách hai môi trường điện môi. 0 2 2 medium in n k π π λ λ = = (1.3) ( ) ( ) sin os in r i c j θ θ = − r r r (1.4) trong đó, medium n là chiết suất của môi trường xung quanh, 0 λ là bước sóng trong chân không. Thay (1.3), (1.4) vào (1.2) ta có động lượng của photon: ( ) ( ) 0 sin os medium in hn P i c j θ θ λ   = −   r r r (1.5) Phân tích tương tự, chúng ta có thể tìm được biểu thức động lượng của photon truyền qua tại bề mặt: t t t t P k k r = = r r r h h (1.6) Ở đây, k r , t k , t r r lần lượt là vectơ sóng, số sóng và vectơ đơn vị dọc theo hướng truyền của photon truyền qua. Sử dụng: ar ar 0 0 2 p ticle t p tcle n k n k π λ = = (1.7) trong đó n particle là hệ số khúc xạ trên bề mặt hạt, và ( ) ( ) sin os t r i c j φ φ = − r r r (1.8) Khi đó, phương trình (1.6) trở thành: ( ) ( ) ar 0 sin os p ticle t hn P i c j φ φ λ   = −   r r r (1.9) Từ (1.5) và (1.9), tìm được độ thay đổi động lượng của photon truyền qua: ( ) ( ) ( ) ( ) ar ar 0 sin os sin os t p ticle p ticle medium medium h dP n i n c j n i n c j φ φ θ θ λ   = − − +   r r r r r (1.10)