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

Trong công trình này, 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Lựa chọn tham số cho mảng kìm quang học trong thủy tinh biến điệu bằng sóng âmVËt lý 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 trườngâm đàn hồi để tạo ra mảng vi thấu kính bằng hai sóng âm và đã chứng minh khả năng bẫycác vi cầu của nó. Các điều kiện để vi thấu kính có thể được sử dụng để bẫy các vi cầucũng 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 họctạo 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 bẫynếu quang lực tác động lên chúng thay đổi trong khoảng từ 0,01pN đến 100 pN và hệquang của kìm quang học có khẩu độ số (numerical aperture-NA) lớn hơn 1,1. Trong côngtrình [5] các tác giả đã chỉ ra rằng vi cầu được bẫy khi chúng nằm trong vùng bẫy giới hạnbởi vòng tròn tại đó quang lực cực đại. Như vậy, quang lực nhỏ nhất cần thiết để bẫy đượccác vi cầu chính là quang lực cực đại giới hạn vùng bẫy. Từ các kết quả trên, chúng ta cóthể đưa ra điều kiện của vi kìm quang học bảo đảm giam giữ các vi cầu như sau: i) NA  1.1 ; ii) Bán kính vùng bẫy phải lớn hơn bước sóng laser. iii) Quang lực gradient phải lớn hơn 0,01pN, tức là Fgr , max  0.01 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, 1 6 M I s d n m Fs . (1) NA  2V strong đó, M   2 n6 / gVs3 (3)là độ lớn của hiệu ứng âm đàn hồi, I s là cường độ sóng âm,  là hệ số hiện tượng luậnđược coi như hằng số âm đàn hồi của EDFG (strain-acoutstic constant), Vs , Fs tương ứnglà vận tốc và tần số sóng âm trong EDFG, g , d tương ứng là khối lượng riêng và độ dàycủa EDFG và nm là chiết suất chất lưu sau EDFG.146 N. V. Thịnh, C.V.Biên,…, Lựa chọn tham số cho mảng kìm … bằng sóng âm.Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ  Điều kiện thứ hai: Bán kính vùng bẫy 0.9Vs 0 0.9Vs Rbay  0    1 (2) 64 MI s /2dFs  64 MI s /2dFstrong đó, 0 là bán của vòng Airy thứ nhất của vi thấu kính, tương đương với giới hạnnhiễu xạ Abbe,  Điều kiện thứ ba: Quang lực gradient cực đại 256 P0 MI s d 2 nm a 3 Fs m2  1   1 14  2  exp     10 ( N ) (3) 3 0.9Vs m 2  2trong đó, m  n p / n0 là tỉ số giữa chiết suất vi cầu và chất lưu, a là bán kính vi cầu,P0 ,  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 Vs luônluôn xác định, do đó, chỉ có thể thay đổi độ dày của nó. Đối với sóng âm, hai tham số có thểthay đổi đó là cường độ I s và tần số Fs . Đối với chùm laser, hai tham số công suất P0 bướcsóng  có thể thay đổi, tuy nhiên, thông thường cường độ dễ thay đổi hơn cả. Đối với vicầu, phụ thuộc vào bản chất của các chất cần nghiên cứu, do đó, chiết suất và bán kính có thểthay đổi. Chúng ta sẽ khảo sát và tìm ra bộ tham số sao cho thỏa đồng thời cả ba điều kiệntrên, 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 đến0, 25m và chiết suất n p  1,57 được nhúng trong nước có chiết nm  1,326 [7]. EDFGcó độ âm đàn hồi M  1.671014 m 2 / W , chiều dày thay đổi từ d  0,1cm đếnd  0,3cm và chiết suất n  1.92 tại bước sóng laser =1,15μm [8,9] được biến điệu bởisóng âm có vận tốc Vs  3500m / s [9]. Điều kiện thứ nhất được khảo sát với EDFG có chiều dày d  0, 25cm , được biếnđiệu bởi sóng âm có cường độ I s và tần số Fs thay đổi (bước sóng  s thay đổi). Sự thayđổi khẩu độ số theo cường độ và tần số sóng âm trình bày trong hình 1. Từ hình 1a, chúngta nhận thấy trong trường hợp giả thiết trên, khấu độ số đạt giá trị 1,1 khi cường độ và tầnsố sóng âm được chọn tương ứng với nhau, ví dụ, khi I s  150W / cm 2 thìFs  320 MHz . Sự phụ thuộc của khẩu độ số vào tích I s Fs được khảo sát và trình bàytrên hình 1b. Qua đó nhận thấy, khi sử dụng EDFG có chiều dày d = 0.25 cm thì các vithấu kính có khẩu độ số sẽ lớn hơn 1,1 nếu bộ tham số sau đây được chọn:  ...