Lựa chọn tham số cho mảng kìm quang học trong thủy tinh biến điệu bằng sóng âm - Nguyễn Văn Thịnh

VËt lý N. V. Thịnh, C.V.Biên,, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm bằng sóng âm." 146 LỰA CHỌN THAM SỐ CHO MẢNG KÌM QUANG HỌC TRONG THỦY TINH BIẾN ĐIỆU BẰNG SÓNG ÂM Nguyễn Văn Thịnh1, Chu Văn Biên2, Bùi Xuân Kiên3, Nguyễn Mạnh Thắng4* Tóm tắt: Mảng kìm quang học hình thành nhờ các vi thấu kính biến điệu bởi sóng âm trong các môi trường âm đàn hồi và cụ thể trong tinh thể GaAs đã được nghiên cứu trong một số công trình gần đây. Các vi thấu kính trong trường âm đàn hồi khác nhau sẽ có tính chất khác nhau như khẩu độ số, tiêu cự, khác nhau, do đó, nó sẽ ảnh hưởng đến khả năng bẫy các vi cầu. Trong công trình này, chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế như: công suất laser, tần số sóng âm, độ dày thủy tinh và bán kính vi cầu lên điều kiện bẫy của mảng kìm quang học. Bộ tham số được chọn sẽ định hướng cho quá trình thiết kế và chế tạo mảng kìm quang học áp dụng cho các vi cầu có kích thước khác nhau. Từ khóa: Mảng kìm quang học, Biến điệu bằng sóng âm, Môi trường đàn hồi âm, Quang lực. 1. MỞ ĐẦU Trong công trình trước đây [1,2,3], chúng tôi đã nghiên cứu áp dụng các môi trường âm đàn hồi để tạo ra mảng vi thấu kính bằng hai sóng âm và đã chứng minh khả năng bẫy các vi cầu của nó. Các điều kiện để vi thấu kính có thể được sử dụng để bẫy các vi cầu cũng đã được dẫn ra và bộ tham số phù hợp đối với tinh thể GaAs đã được tính toán [3]. Trong công trình này chúng tôi sẽ nghiên cứu về bộ tham số của mảng kìm quang học tạo ra trong thủy tinh nóng chảy nồng độ cao (extra-dense flint glass (EDFG). 2. CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA VI KÌM QUANG HỌC Kết quả nghiên cứu trong công trình [4] đã chỉ ra rằng phần lớn các vi cầu sẽ bị bẫy nếu quang lực tác động lên chúng thay đổi trong khoảng từ 0,01pN đến 100 pN và hệ quang của kìm quang học có khẩu độ số (numerical aperture-NA) lớn hơn 1,1. Trong công trình [5] các tác giả đã chỉ ra rằng vi cầu được bẫy khi chúng nằm trong vùng bẫy giới hạn bởi vòng tròn tại đó quang lực cực đại. Như vậy, quang lực nhỏ nhất cần thiết để bẫy được các vi cầu chính là quang lực cực đại giới hạn vùng bẫy. Từ các kết quả trên, chúng ta có thể đưa ra điều kiện của vi kìm quang học bảo đảm giam giữ các vi cầu như sau: i) 1.1NA ; ii) Bán kính vùng bẫy phải lớn hơn bước sóng laser. iii) Quang lực gradient phải lớn hơn 0,01pN, tức là , 0.01gr maxF pN [6]. Như đã tính toán trong công trình [4], các điều kiện trên đã được dẫn ra như sau:  Điều kiện thứ nhất :Khẩu độ số, 16 2 s m s s M I dn F N A V  . (1) trong đó, 2 6 3/ sM n gV (3) là độ lớn của hiệu ứng âm đàn hồi, sI là cường độ sóng âm,  là hệ số hiện tượng luận được coi như hằng số âm đàn hồi của EDFG (strain-acoutstic constant), ,s sV F tương ứng là vận tốc và tần số sóng âm trong EDFG, ,g d tương ứng là khối lượng riêng và độ dày của EDFG và mn là chiết suất chất lưu sau EDFG. Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 37, 06 - 2015 147  Điều kiện thứ hai: Bán kính vùng bẫy 0 0 0.9 0.9 1 64 /2 64 /2 s s bay s s s s V V R MI dF MI dF          (2) trong đó, 0 là bán của vòng Airy thứ nhất của vi thấu kính, tương đương với giới hạn nhiễu xạ Abbe,  Điều kiện thứ ba: Quang lực gradient cực đại 2 3 2 140 3 2 256 1 1 10 ( ) 0.9 2 2 s m s s P MI d n a F m exp N V m              (3) trong đó, 0/pm n n là tỉ số giữa chiết suất vi cầu và chất lưu, a là bán kính vi cầu, 0 ,P  tương ứng là công suất trung bình và bước sóng của chùm laser. Ba điều kiện (1)(3), phụ thuộc vào các tham số của chùm laser, môi trường âm đàn hồi, sóng âm và vi cầu. Đối với EDFG, độ lớn hiệu ứng đàn hồi M , vận tốc sóng âm sV luôn luôn xác định, do đó, chỉ có thể thay đổi độ dày của nó. Đối với sóng âm, hai tham số có thể thay đổi đó là cường độ sI và tần số sF . Đối với chùm laser, hai tham số công suất 0P bước sóng có thể thay đổi, tuy nhiên, thông thường cường độ dễ thay đổi hơn cả. Đối với vi cầu, phụ thuộc vào bản chất của các chất cần nghiên cứu, do đó, chiết suất và bán kính có thể thay đổi. Chúng ta sẽ khảo sát và tìm ra bộ tham số sao cho thỏa đồng thời cả ba điều kiện trên, tức là bộ tham số sao cho mảng kìm quang học có thể bẫy được các vi cầu. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chúng ta giả thiết vi cầu là phân tử polystyrene có bán kính thay đổi từ 0,01 m đến 0, 25 m và chiết suất 1,57pn  được nhúng trong nước có chiết 1,326mn  [7]. EDFG có độ âm đàn hồi 14 21.67 10 /M m W  , chiều dày thay đổi từ 0,1d cm đến 0,3d cm và chiết suất 1.92n  tại bước sóng laser =1,15μm [8,9] được biến điệu bởi sóng âm có vận tốc 3500 /sV m s [9]. Điều kiện thứ nhất được khảo sát với EDFG có chiều dày 0,25d cm , được biến điệu bởi sóng âm có cường độ sI và tần số sF thay đổi (bước sóng s thay đổi). Sự thay đổi khẩu độ số theo cường độ và tần số sóng âm trình bày trong hình 1. Từ hình 1a, chúng ta nhận thấy trong trường hợp giả thiết trên, khấu độ số đạt giá trị 1,1 khi cường độ và tần số sóng âm được chọn tương ứng với nhau, ví dụ, khi 2150 /sI W cm thì 320sF MHz . Sự phụ thuộc của khẩu độ số vào tích s sI F được khảo sát và trình bày trên hình 1b. Qua đó nhận thấy, khi sử dụng EDFG có chiều dày d = 0.25 cm thì các vi thấu kính có khẩu độ số sẽ lớn hơn 1,1 nếu bộ tham số sau đây được chọn: 14 2 2 1.67 10 / , 0.25 4000 / , 3500 / 1.326 s s s m M m W d cm I F W cm MHz V m s n         (4) VËt lý N. V. Thịnh, C.V.Biên,, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm bằng sóng âm." 148 a) b) Hình 1. Phụ thuộc của NA vào Is và Fs(a); tích s sI F (b) và chiều dày d (c). Đường thẳng trong hình 1.b chỉ áp dụng cho trường hợp d = 0.25 cm. Do đó, khi thay đổi chiều dày thì giá trị khẩu độ số cũng thay đổi ứng với bộ tham số khác. Hình 1c cho ta thấy điều đó. Dựa vào kết quả trên hình 1c, chúng ta cũng có thể lựa chọn được bộ tham số phù hợp để khẩu độ số 1,1NA . Sử dụng bộ tham số trong (4), chúng ta khảo sát điều kiện giới hạn nhiễu xạ. Sự phụ thuộc của 0 /  vào tích s sI F được trình bày trên hình 2 2 04300 / / 1s sI F W cm MHz     , (5) và 0 /  tăng khi s sI F giảm. Một điều nhận thấy là khi 0 /  tăng kéo theo NA giảm (xem hình 2), do đó, để cả hai điều kiện thỏa mãn thì tích s sI F phải thỏa mãn hệ bất đẳng thức sau: 4000 4300s sI F  . (6) Hình 2. Phụ thuộc của 0 /  (đường vạch) và khẩu độ số (đường liền) vào S sI F . Cuối cùng, chúng ta khảo sát điều kiện cho quang lực. Giả thiết cường độ sóng âm được cố định 2100 /sI W cm , khi đó, từ điều kiện (6) tần số sóng âm chỉ có thể thay đổi trong vùng từ 400 MHz đến 430MHz. Khảo sát sự phụ thuộc của quang lực cực đại vào tần số sóng âm với công suất laser 90 1.10P W  được trình bày trong hình 3a. Như vậy, Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 37, 06 - 2015 149 quang lực thỏa mãn điều kiện , 0.01gr maxF pN khi 9 0 1.10P W  và 400sF MHz . Tại giá trị giới hạn dưới , 0.01gr maxF pN (hình 3a), các tham số có thể chọn như sau: 14 2 2 9 0 1,67 10 / ; 0,25 400 ; 3500 / ; 100 / 1 10 W; 0,25 ; 1,57; 1,326 s s s p m M m W d cm F MHz V m s I W cm P a m n n                (7) Tuy nhiên, nếu giữa nguyên các tham số của môi trường và sóng âm như trong (7) thì quang lực cực đại có thể tăng khi tăng công suất laser và tăng bán kính của vi cầu như trong hình 3b. Từ các điều kiện trên, mảng kìm quang học có thể bẫy được các vi cầu nếu bộ tham số sau đây được lựa chọn:  14 2 2 9 0 1.67 10 / ; 0,2 0,3 (4000 4300) / ; 3500 / 1,17 ; 1.10 0.05 ; 1,57 1,326 s s s m M m W d cm I F W cm MHz V m s m P W a m n n                   (8) 3. KẾT LUẬN Ba điều kiện để các vi thấu kính được biến điệu bằng sóng âm trong EDFG có thể sử dụng để bẫy các vi cầu đã được xem xét. Kết quả khảo sát bằng số đã được phân tích và rút ra bộ giá trị các tham số của EDFG, chùm laser, sóng âm, vi cầu và chất lưu cho việc thiết kế mảng kìm quang học cụ thể. Đặc biệt, kết quả khảo sát cho EDFG, chúng ta đã tìm ra được mối liên hệ giữa cường độ và tần số sóng âm, bảo đảm thỏa mãn điều kiện giới hạn nhiễu xạ, một thông số quan trọng cho hệ quang hội tụ chùm laser. Trên cơ sở lựa chọn phù hợp giữa tần số và cường độ sóng âm, các tham số khác cần lựa chọn để thỏa mãn đồng thời ba điều kiện để mảng kìm quang học sử dụng các vi thấu kính có thể bẫy các vi cầu có kích thước khác nhau nhúng trong môi trường chất lưu khác nhau. Những vấn đề này cần được quan tâm trong quá trình thiết kế mảng kìm quang học dựa trên các vi cầu biến điệu âm. a) b) Hình 3. Phụ thuộc của ,gr maxF vào sF với 9 0 1.10P W  (a) và phụ thuộc đồng thời vào P0 và a với 400sF MHz (b). VËt lý N. V. Thịnh, C.V.Biên,, "Lựa chọn tham số cho mảng kìm bằng sóng âm." 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Van Thinh Nguyen, Quang Quy Ho, Van Lanh Chu, “Trapping capability of microlens 2D array by acoustic modulation,” Journal of Advances in Physics, Vol.6, No. 2, 1072- 1078 (2014). [2]. V.T. Nguyen, Q.Q. Ho,“Optical trap 2D array by acoustic modulation.”J. of Physical Science and Application, Vol.4, 420-425, 2014. [3]. Nguyễn Văn Thịnh, “Mảng kìm quang học trong tinh thể GaAs biến điều bằng sóng âm,” Tạp chí Nghiên cứu KHCNQS, Số 35, 02-2015. [4]. O. Mavago, P.H. Jones, P.G. Gucciari, G. Volpe and A. C. Ferrari, “Optical trapping and manipulation of nanostructures, “ Nature Nanotechnology 8, 807-819 (2013), Doi : 10.1038/nnano.2013.208. [5]. H.Q. Quy, M.V. Luu, H. D.Hai, D. Zhuang, “The simulation of stabilizing process of dielectric nanoparticle in optical trap using counter-propagating pulsed Gaussian beams,” Chinese Optical Lett. Vol.8 (2010) 332-334. [6]. T. Perkin, “Optical traps for single molecule biophysics: a primer,” Laser and Photon. Rev.3, No. 1-2, 203-230 (2009), DOI 10.1002/Ipor.200810014. [7]. V. Bormuth et al, “Optical trapping of coated microspheres,” Opt. Exp. 16 (2008), pag. 13831-13844. [8]. A. Korpel, Acousto-Optics. New York: Marcel Dekker. Inc. 1988, 358. [9]. B.E.Saleh, M.C. Teich, Funadamentals of photonics, John Wiley & Sons, INC., New York (1998) 825-830. ABSTRACT Tweezers array in extra-dense flint glass modulated by acoustic waves In previous our works, the microlens 2D array modulated by acoustic waves is investigated using crystal GaAs. The results have shown that the properties of microlens will be different if the acoust-elastic medium is different. So the trapping capability depends on all principle parameters. In this paper, the conditions for microparticle trapping of the maximum gradient force, radius of trapping region limit and numerical aperture are discussed to find out the suitable collection of parameters of microlens created by AEM in the extra-dense flint glass. Keywords: Optical tweezers array, Acoustic wave modulation, Extra-dense flint glass, Optical force. Nhận ngày 20 tháng 02 năm 2015 Hoàn thiện ngày 05 tháng 03 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 21 tháng 03 năm 2015 Địa chỉ: 1Trường Đại học Bạc Liêu; 2Trường Đại học Hồng Đức; 3Trường Đại học Điện lực; 4Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; *Email: thangnm@jmst.info.