Ảnh hưởng của tỉ số chiết suất lên phân bố lực trong kìm quang học tuyến tính

Nội dung bài viết trình bày phân bố quang lực dọc trục lan truyền lan và quang lực ngang trên đường kính thắt chùm của chùm laser đã được mô phỏng. Ảnh hưởng của tỉ số chiết suât lên phân bố quang lực, giá trị cực đại và vùng ổn định đã được bình luận. Kết quả có ta ý tưởng nghiên cứu kìm quang học phi tuyến, khi vi hạt và môi trường chất lưu nhạy với hiệu ứng Kerr. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của tỉ số chiết suất lên phân bố lực trong kìm quang học tuyến tính Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ ¶nh h­ëng cña tØ sè chiÕt suÊt lªn PH©N Bè lùc trong k×m quang häc tuyÕn tÝnh Hoµng v¨n nam*, Cao thµnh lª**, chu v¨n Lanh*** Tãm t¾t: Kh¸i niÖm k×m quang häc tuyÕn tÝnh ®­îc ®Þnh nghÜa vµ c¸c biÓu thøc tÝnh quang lùc trong chÕ ®é Rayleigh ®· ®­îc tr×nh bµy. Ph©n bè quang lùc däc trôc lan truyÒn lan vµ quang lùc ngang trªn ®­êng kÝnh th¾t chïm cña chïm laser ®· ®­îc m« pháng. Ảnh h­ëng cña tØ sè chiÕt su©t lªn ph©n bè quang lùc, gi¸ trÞ cùc ®¹i vµ vïng æn®Þnh ®· ®­îc b×nh luËn. KÕt qu¶ cã ta ý t­ëng nghiªn cøu k×m quang häc phi tuyÕn, khi vi h¹t vµ m«i tr­êng chÊt l­u nh¹y víi hiÖu øng Kerr. Tõ khãa: K×m quang häc, Quang lùc, Chïm laser Gaussian, TØ sè chiÕt suÊt. 1. më ®Çu Kìm quang học đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng bẫy các vi hạt điện môi và các hạt có độ điện-từ thẩm thấp [1,2, 3, 4]. Cho đến nay, các kết quả nghiên cứu thu được chỉ tập trung cho kìm quang học “tuyến tính”, trong đó, vi hạt và môi trường chất lưu đều không nhạy với hiệu ứng Kerr, tức là chiết suất của chúng không phụ thuộc vào cường độ laser. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng kìm quang học để nghiên cứu các đối tượng y học, sinh học, ...[5, 6, 7, 12, 14, 15, 17, 18] là các phân tử hoặc đại phân tử (Chlorohpi polimer- n2  1011 m2 / W ) nhạy với hiệu ứng Kerr và chúng có thể được nhúng trong các môi trường nhạy với hiệu ứng Kerr [5]. Khi đó, chúng ta không thể tránh khỏi hiện tượng không ổn định của hạt bẫy, thậm chí không thể bẫy được chúng do hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng làm thay đổi chiết suất của vi hạt hoặc của môi trường dẫn đến thay đổi tỉ số chiết suất. Để hiểu được điều này, trong bài báo này chúng tôi khảo sát phân bố quang lực trong không gian ba chiều của kìm quang học tuyến tính và khảo sát ảnh hưởng của tỉ số chiết suất lên quang lực và vùng ổn định của vi hạt. 2. PHÂN BỐ QUANG LỰC 2.1. Cấu hình Theo nguyên lý hoạt động của kìm quang học, xung laser được hội tụ mạnh vào môi trường chứa vi hạt, để tạo ra gradient cường độ dọc theo trục lan truyền và trên tiết diện ngang [8, 9, 10]. Giả thiết rằng sau khi hội tụ, chùm tia có phân bố Gaussian [4, 9, 16] trong môi trường có chiết suất nm và vi hạt có chiết suất nh . Mẫu kìm được thể hiện trong hình 1. 2.2. Phân bố quang lực trong không gian ba chiều Giả thiết tâm thắt chùm gắn với gốc tọa độ (0,0,0) của hệ tọa độ (x,y,z), trong đó, z là tọa độ trục truyền lan của chùm tia, x, y là tọa độ trên tiết diện ngang của chùm tia (xem hình 1). Khi đó, điện trường của chùm xung laser có phân bố Gaussian (là hàm Gaussian T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 30, 04 - 2014 101 theo tọa độ không gian và thời gian) được mô tả như sau, với giả thiết điện trường thay đổi trên trục x và y là như nhau và phân cực theo trục x [4]: Vi hạt Chùm laser hội tụ Môi trường mẫu Hình 1. Mô tả mẫu kìm quang học tuyến tính.   ikW 02 E l  z ,  , t   xE 0 exp  i  kz   t  ikW 02  2 z (1)   2 kz  2  exp   i    kW 2 2  4 z 2   0    kW 0   2  exp   t  z / c   2 2  exp       kW 2 2  4 z 2   2   0  trong đó, E0  E(0,0) là biên độ trường tại tâm thắt chùm, W0  W ( z  0) là bán kính thắt chùm,   x2  y2 là bán kính hướng tâm trên tiết diện ngang chùm tia,  , k   / c , c tương ứng là tần số, số sóng và vận tốc của laser,  là bán độ rộng xung. 2.2.1. Quang lực tác động lên vi hạt Chúng ta quan tâm đến kìm quang học bẫy các vi hạt có kích thước nano (là các vi cầu có bán kính cỡ nanomet) bằng chùm laser có bước sóng, do đó, điều kiện   a thỏa mãn và quang lực tác động lên vi hạt được xác định theo chế độ Rayleigh. Theo công trình [1, 2], quang lực tác động lên vi hạt được tính như sau: Lực tán xạ, tác động lên hạt dọc theo chiều truyền lan z:  n 128 5 a 6  m2  1  2 (2) h Ftx  z  2  I c 3 3 m 2 trong đó, m  nh / nm là tỉ số giữa chiết suất vi hạt và chiết suất môi trường chất lưu, c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Lực gradient dọc, tác động lên vi hạt theo trục chùm tia z:   2 a3  m2  1  Fgrad , z  z   z I (3) c  m2  2  Lực gradient ngang, tác động lên hạt theo bán kính hướng tâm  :   2 a3  m2  1  Fgrad ,      I (4) c  m2  2  Sử dụng (1)  (4), chúng ta thu được biểu thức tường minh cho các lực. Lực tán xạ: 102 H. V. Nam, C. T. Lª, Ảnh h­ëng cña tØ sè chiÕt suÊt … k×m quang häc tuyÕn tÝnh. Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ ...