Tài liệu Mảng kìm quang học biến điệu quang âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THỊNH MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ VINH, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THỊNH MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HỒ QUANG QUÝ VINH, 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Hồ Quang Quý. Các kết quả trong luận án là trung thực chưa có trong các luận án khác và tôi đã công bố trên 06 tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thịnh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến PGS. TS. Hồ Quang Quý, người Thầy đã hướng dẫn tận tình và động viên bản thân tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án với tinh thần đầy trách nhiệm. Thầy đã giúp tôi nâng cao kiến thức, nghị lực, phát huy được sáng tạo và hoàn thành tốt luận án. Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến quí Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý và Công nghệ Trường Đại học Vinh đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Vinh. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bạc Liêu và Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho bản thân tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu trong những năm qua. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận án. ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN.... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 6 3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 7 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 7 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 7 6. Bố cục của luận án .......................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC ...................................................................... 9 1.1. Quang lực .................................................................................................... 9 1.2. Phân bố quang lực trong không gian......................................................... 17 1.3. Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của kìm quang học .................. 22 1.4. Mảng kìm quang học ................................................................................. 24 Kết luận chương 1............................................................................................. 36 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MẢNG VI THẤU KÍNH BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ..................................................................................................... 38 2.1. Phân bố chiết suất của môi trường biến điệu quang - âm một chiều ........ 38 2.2. Mô hình biến điệu quang - âm hai chiều ................................................... 43 2.3. Phân bố chiết suất của môi trường biến điệu quang - âm hai chiều ......... 44 2.4. Khảo sát phân bố chiết suất 2D trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 ....... 47 2.5. Mảng vi thấu kính biến điệu quang âm ..................................................... 51 2.6. Tính tiêu cự của vi thấu kính..................................................................... 57 Kết luận chương 2............................................................................................. 71 iii CHƯƠNG 3. ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ............................................................................... 72 3.1. Đề xuất mô hình mảng kìm quang học sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm ................................................................................. 72 3.2. Điều kiện khẩu độ số của vi thấu kính ...................................................... 75 3.3. Phân bố cường độ laser trên tiêu diện vi thấu kính ................................... 81 3.4. Quang lực gradient dọc và ngang.............................................................. 87 3.5. Khảo sát phân bố quang lực tác động lên vi hạt nhúng trong chất lưu ......... 90 Kết luận chương 3............................................................................................. 93 CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MẢNG KÌM QUANG HỌC BIẾN ĐIỆU QUANG - ÂM ..................................................... 94 4.1. Nguyên lý sàng 2D .................................................................................... 94 4.2. Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm cho sàng 2D ................................ 101 4.3. Nguyên lý sàng 3D .................................................................................. 105 4.4. Điều kiện công suất laser ........................................................................ 107 4.5. Đặc trưng công suất laser - tần số ........................................................... 110 Kết luận chương 4........................................................................................... 115 KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................... 116 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ......... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 120 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Viết tắt Giải thích nghĩa DOT Diffractive Optics Tweezers Mảng kìm quang học sử dụng khe nhiễu xạ. DOA Diffractive Optical Arrays Mảng nhiễu xạ quang. ICOT Intelligently Control Optical Mảng kìm quang học thông minh. Tweezers T3S MSOT Time - Sharing Synchronized Thời gian quét đồng bộ. Scanning Multiple Microlens Optical Mảng kìm quang học sử dụng Tweezers mảng vi thấu kính. AOD Acousto - Optical Deflector Linh kiện phản xạ quang - âm. GRIN Graded Refractive Index Chiêt suất thay đổi liên tục. BQS Beam Quickly Scanning Hệ quét nhanh chùm tia. NA Numerical Aperture Khẩu độ số. EOE Elasto- Optical Effect Hiệu ứng quang giảo. AET Acousto- Electric Transducer Bộ chuyển đổi điện - âm. IOT Interferometric Optical Trap v Mảng kìm giao thoa quang. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ý nghĩa, đơn vị Ký hiệu A Diện tích khẩu độ thấu kính (m2) B Cường độ tự cảm (T) D Đường kính mở thấu kính (m) Dm Kích thước mạng (m) E F , Fgrad , Ftx Fs I, I0 Cường độ điện trường (V/m) Quang lực; Lực gradient; Lực tán xạ (N) Tần số sóng âm (Hz) Cường độ laser (W/m2) Is Cường độ sóng âm (W/m2) M Hằng số đáp ứng (m2/W) N Số photon NA Khẩu độ số P, P0 Công suất (W) S0 Biên độ sóng âm (V/m) Vs Vận tốc sóng âm (m/s) A Bán kính vi hạt (m) C Vận tốc ánh sáng (m/s) D Độ dày môi trường (m) f Quang lực của một photon (N) fa Tần số ánh sáng (Hz) f, f1, f2 Tiêu cự thấu kính (m) G Khối lượng riêng (kg/m3) vi K Số sóng (1/m) ki Véc tơ sóng M Tỉ số chiết suất n, nh, nm Chiết suất p Xung lượng của photon (kg.m/s) r Véc tơ tọa độ không gian T Thời gian (t) w, w0 Bán kính vết chùm tia và thắt chùm (m) z0 Độ dài Rayleigh (m) Λ Bước sóng sóng âm (m) σik Tenxer của lực căng  Hệ số phân cực (m2.s) αi Hệ số suy giảm (1/m)  Tiết diện tán xạ (m.s) Ω Tần số góc(rad/s)  Độ rộng xung (s)  Độ nhớt của môi trường (m2/s)  Độ cảm phi tuyến (C.m/V3)  Hằng số quang giảo Λ Bước sóng laser (m) Hằng số Plank (Js) φx , φy Pha ban đầu của hai sóng theo chiều x,y ∆p Độ biến thiên xung lượng (N/m2) ∆t Độ biến thiên thời gian (s) n0 Biên độ chiết suất Ρ Bán kính hướng tâm (m) ρ0 Bán kính vết chùm tia (m) vii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mô tả quá trình photon truyền xung lượng cho vi hạt khi phản xạ trên mặt ngoài. ............................................................... 10 Hình 1.2 Mô tả quá trình tia khúc xạ truyền xung lượng cho vi hạt. ......... 11 Hình 1.3 Biễu diễn quang lực gradient, a) dọc, b) ngang. ......................... 12 Hình 1.4 Lưỡng cực điểm với các đường sức [5]. ..................................... 13 Hình 1.5 Các lực tác động lên các vi hạt điện môi nằm trong chùm laser phân bố dạng Gaussian [2].................................................. 16 Hình 1.6 Các lực tác động lên vi hạt nằm trong chùm tia dạng Hollow-Gaussian [2]. .................................................................. 17 Hình 1.7 Chùm laser TEM00 phát ra từ buồng cộng hưởng phẳng [2]. ...... 17 Hình 1.8 a) Phân bố cường độ trong vết chùm tia (x( 0 ),y( 0 )) [2]; b) Phân bố quang lực gradient ngang trong vết chùm tia [2]. ..... 18 Hình 1.9 Mẫu dao động tương đương của kìm quang học [72]. ................ 19 Hình 1.10 a) Phân bố quang lực dọc trên trục chùm tia [2]; b) dọc tia cách trục một khoảng =2W0 [2]. ............................... 22 Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết cấu tạo kìm quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm [43]. ...................................................... 23 Hình 1.12 Kìm quang học array sử dụng linh kiện BQS [19]. ..................... 24 Hình 1.13 Cấu hình quang tạo mảng kìm N N bằng mảng nhiễu xạ [74]. ...... 26 Hình 1.14 Mảng kìm 4 4 tạo bởi hệ quang nhiễu xạ và các hạt thủy tinh được bẫy (a); Mảng các thủy tinh được bẫy sau 1/3s (b); Các hạt thủy tinh được bẫy sau 3,1s (c) và Quỹ đạo chuyển động của các hạt thủy tinh sau khi tắt laser (d). .......................... 26 Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý của kìm IOT [59]. G-gương, L1, L2, L3thấu kính, BCT - bản chia tia, QPC - kính quay phân cực, GQ - gương quay, VTK - vi thấu kính. ....................................... 27 viii Hình 1.16 Hai chùm tia giao thoa tại tiêu diện vi thấu kính (a) và vân giao thoa trên mặt phẳng mẫu (b). ............................................... 28 Hình 1.17 Quá trình quét vi cầu chiết suất nhỏ [59]. a), b) dịch chuyển từ phải sáng trái. b), c) dịch chuyển từ trên xuống dưới. c) - e) quét sáng phải sau đó sáng trái ......................................... 29 Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo của mảng kìm 2,5D ICOT [85]............................. 31 Hình 1.19 Mảng kìm và mảng các vi cầu được bẫy [85]. ........................... 32 Hình 1.20 Quá trình tạo mảng trụ SU-8 bằng chùm proton và ăn mòn hóa học [20]. a) Khắc bằng chùm proton, b) Ăn mòn hóa học, c) Nhiệt nóng chảy....................................................................... 33 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của MSOT [20]. .............................. 34 Hình 1.22 a) Mảng kìm sử dụng AOD biến điệu quang - âm, b) Vết quét của AOD [27]. .......................................................... 35 Hình 2.1 Khối môi trường quang - âm biến điệu bởi một nguồn sóng âm (NSA) theo một chiều X. ....................................................... 38 Hình 2.2 a) Phân bố chiết suất của môi trường quang - âm theo trục x (Λ); b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y). ................................................... 41 Hình 2.3 a) Ống dẫn sóng GRIN b) Thấu kính GRIN ............................... 42 Hình 2.4 a) Phân bố chiết suất theo trục x trong khoảng một bước sóng âm Λ ; b) Mô tả vết hội tụ ánh sáng do thấu kính trụ. ........ 42 Hình 2.5 Mô tả quá trình hội tụ qua hai thấu kính trụ vuông góc với nhau của chùm ánh sáng. ............................................................. 43 Hình 2.6 Cấu tạo của bộ biến điệu quang - âm bằng hai sóng âm nhìn từ trên xuống theo trục z. ............................................................. 44 Hình 2.7 Phân bố chiết suất của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 trong mặt phẳng (X,Y) với Is  1,0.104 W / m2 , (a), Is  3,0.107 W / m2 , (b) và Is  8,0.107 W / m2 , (c); d) Sự hình thành mảng chiết suất - vùng chiết suất giống nhau trên mặt phẳng (X,Y). ................................................................................ 48 ix Hình 2.8 a) Phân bố chiết suất trong diện tích  , b) Đường đẳng chiết trong diện tích  (   0 ),.................. 50 c) Đường đẳng chiết trong diện tích  (    / 2 ), ............. 50 b) Đường đẳng chiết trong diện tích  (   3 / 2 ). .......... 50 Hình 2.9 Khối GRIN của tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang - âm ................................................................................... 51 Hình 2.10 Phân bố chiết suất cực tiểu (đỏ) và cực đại (xanh) trong hai mặt phẳng khác nhau xoay quanh trục của khối GRIN. ............. 52 Hình 2.11 Mô hình tương đương thấu kính của khối GRIN ........................ 54 a) Quang trình của tia sáng qua khối GRIN n(x,y;) .................... 54 b) Quang trình của tia sáng qua khối chiết suất không đổi n chiều dày d và thấu kính chiết suất không đổi n mặt cong d’(x,y). ......................................................................................... 54 Hình 2.12 Phân bố d’ (x[Λ],y[Λ]) tương đương thấu kính của khối thành phần trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 biến điệu quang - âm ........................................................................... 55 Hình 2.13 Mặt cắt chóp cầu nd’(x,y). ........................................................... 55 Hình 2.14 Hệ tọa độ của khối GRIN thứ nhất theo hệ tọa độ của môi trường. .... 60 Hình 2.15 Phân bố chiết suất theo biến x’. ................................................... 61 Hình 2.16 Phân bố chiết suất gần đúng theo biến x’ .................................... 62 Hình 2.17 So sánh phân bố chiết suất mô tả theo hai phương trình (2.20) - đường chấm chấm và (2.24) - đường liền nét. ............... 63 Hình 2.18 Cấu hình vi thấu kính biến điệu quang - âm bởi hai sóng siêu âm vuông góc với nhau: a) hình chiếu theo trục z, b) hình chiếu theo trục x (y)............................................................. 68 Hình 2.19 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với tần số sóng âm khác nhau; .................................................... 69 Hình 2.20 Phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính vào độ dày môi trường với cường độ sóng âm thay đổi ................................................... 70 x Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình mảng kìm quang học sử dụng vi thấu kính biến điệu sóng quang - âm................................................... 73 Hình 3.2 Mảng kìm quang học trong chất lưu chứa vi hạt (tương đương với cấu hình sử dụng thấu kính chế tạo sẵn [20]) ....................... 74 Hình 3.3 Phụ thuộc của NA vào độ dày tinh thể Ge33As12Se33 .................. 77 Hình 3.4 Phụ thuộc của NA vào FS và Is .................................................... 78 Hình 3.5 Phụ thuộc của khẩu độ số vào độ dày tinh thể GaAs ................. 79 Hình 3.6 Phụ thuộc của NA vào FS và Is .................................................... 80 Hình 3.7 Cấu hình kìm quang học sử dụng một vi thấu kính. ................... 81 Hình 3.8 Phân bố cường độ trong đĩa Airy [36]......................................... 82 Hình 3.9 Phân bố cường độ trên mặt phẳng pha (ρ,z)................................ 86 Hình 3.10 Phân bố cường độ laser trên tiêu diện (z=f): a) Dạng phân bố, b) Chiếu trên mặt phẳng (X,Y). ................................................... 87 Hình 3.11 Phân bố quang lực dọc trên mặt phẳng pha (z,ρ). ....................... 91 Hình 3.12 Phân bố quang lực ngang trên mặt phăng pha (ρ,z). ................... 92 Hình 4.1 Vị trí tâm các vi thấu kính trong môi trường Ge33As12Se33 được biến điệu bởi sóng âm có bước sóng Λ và pha ban đầu bằng φ=0. ..................................................................................... 95 Hình 4.2 Vị trí của vi thấu kính thứ nhất khi pha ban đầu bằng không (   0 ).......................................................................................... 96 Hình 4.3 Vị trí của vi thấu kính thứ thất. a)    / 4 , b)    / 2 .............. 97 Hình 4.4 Vị trí của vi hạt trên mặt phẳng (X,Y) trong quá trình sàng bằng phương pháp thay đổi tần số sóng âm (pha ban đầu   0 ): a) Fs 500MHz , b) Fs 350MHz và c) Fs 200MHz ...... 99 Hình 4.5 Thay đổi tiêu cự vi thấu kính theo tần số sóng âm. ................... 100 Hình 4.6 Các vi hạt dao động trong vùng bẫy của vi thấu kính tĩnh [20] .. 101 Hình 4.7 Đặc trưng cường độ - tần số cho quá trình sàng trên mặt (X,Y) ứng với tiêu cự vi thấu kính f 2D khác nhau. .............................. 103 xi Hình 4.8 Đặc trưng cường độ - tần số sóng âm khi sàng 2D của mảng kìm quang học biến điệu quang - âm trong các môi trường khác nhau. .................................................................................. 104 Hình 4.9 Lưới sàng 3D của mảng kìm biến điệu quang - âm trong tinh thể vô định hình Ge33As12Se33. .................................................. 106 Hình 4.10 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với các 14 bán kính vi hạt khác nhau cho quang lực dọc Fgr , z  1.10 N . .... 111 Hình 4.11 Đặc trưng cường độ laser cực tiểu - tần số sóng âm với các bán kính vi hạt khác nhau cho quang lực ngang Fgr ,   1.1014 N . ..................................................................... 112 xii MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thập kỷ sáu mươi của thế kỷ 20, sau khi laser ra đời, Arthur Ashkin cùng các cộng sự đã phát hiện ra rằng, một chùm laser được hội tụ có thể kéo các hạt có chiết suất lớn hơn môi trường xung quanh vào tâm chùm tia Gaussian [11], [12], đồng thời, chúng được giữ và đẩy theo chiều truyền lan của ánh sáng. Ngay sau đó (1970), ông đã thiết kế một hệ quang học để điều khiển hạt trong chất lỏng, chất khí bằng cách cân bằng áp lực bức xạ với lực trọng trường và đã đề xuất cấu hình một hệ quang giữ các vi hạt trong không gian ba chiều bằng hai chùm tia laser truyền lan ngược chiều [11]. Hệ quang này được xem như một “bẫy quang học” và được thiết kế thành công lần đầu tiên vào năm 1986 do Ashkin, Chu và cộng sự. Trong những năm qua khi công nghệ quang phát triển, bẫy quang học trở thành thiết bị hiệu dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu các hạt vi mô, trong đó, có sinh vật, hoá học, vật lý và lý sinh nhằm mục đích giam giữ hay điều khiển các đối tượng nghiên cứu như nguyên tử (phản ứng hóa học) [21], [41],[61], [78], chuỗi ADN (tách các phân tử) [24],[42], [60], tế bào sống (cô lập) [51], [65], [84]. Kìm quang học là một công cụ giam giữ và điều khiển vi hạt, sử dụng lực gradient của một chùm tia có thể được chế tạo bằng cách hội tụ chùm laser thành một vết nhỏ có đường kính trên giới hạn nhiễu xạ nhờ một hệ quang có khẩu độ số NA lớn [4], [52]. Lực gradient của ánh sáng mạnh nhất là xung quanh điểm hội tụ và sẽ tạo nên một hố thế. Trong hố thế này các hạt có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường xung quanh và có động năng bé sẽ bị bẫy trong hố thể. Các vi hạt điện môi, các vi hạt kim loại được bọc lớp điện môi [43], [54] cũng như cá thể sống có kích thước từ vài na nô mét đến vài chục micrô mét như thực bào hay bạch huyết cầu [42], [68] có thể bị giữ nhờ bẫy quang học. Tuy nhiên, khi không có sự khác biệt về chiết suất giữa hạt và môi 1 trường xung quanh sẽ không có lực quang học nào tác động lên hạt. Nếu chiết suất của hạt nhỏ hơn chiết suất môi trường, hạt sẽ bị đẩy ra khỏi chùm tia nếu chùm tia có phân bố cường độ dạng Gaussian. Ngược lại, các hạt này sẽ bị bẫy nếu sử dụng chùm tia có phân bố cường độ dạng Hollow-Gaussian, theo đó, cường độ tại tâm nhỏ nhất và tăng dần theo bán kính hướng tâm (tăng dần từ tâm ra biên) [54], [83], [89]. Lý thuyết về bẫy quang học chủ yếu là tính toán lực tác động lên hạt với các điều kiện môi trường khác nhau. Cách tính quang lực tác động lên vi hạt liên quan trực tiếp đến các chế độ tán xạ trong đó, kích thước vi hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ Rayleigh [17], [30], [56], [89] kích thước vi hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng laser thì sử dụng chế độ quang hình [12] hay kích thước vi hạt tương đương bước sóng laser thì sử dụng chế độ Mie [13], [48], [49]. Nhiều công trình đã quan tâm đến ảnh hưởng của các tham số kìm quang học lên quang lực. Qua biểu thức tính quang lực, các tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của độ rộng xung laser, cường độ đỉnh, độ nhớt chất lưu, kích thước vi hạt lên quang lực và phân bố của nó theo không gian và thời gian [33], [35], [53], [54], [63]. Trong công trình của mình, tác giả H. Kim [37] đã tìm được sự phụ thuộc của hiệu suất bẫy vào tỉ số giữa bán kính chùm tia và khẩu độ số của hệ quang. Ngoài ba chế độ Rayleigh, quang hình và Mie, O. Moine và B. Stout [67] đã sử dụng phương pháp véc tơ để tính quang lực khi sử dụng chùm tia có phân bố cường độ bất kỳ trên tiết diện ngang. Các công trình trên chỉ áp dụng hạn chế cho trường hợp đặc biệt (các hạt là vi cầu). Kết hợp ba chế độ Rayleigh, Mie và quang hình, D. Bonessi và cộng sự đã tính quang lực tác động lên hạt có hình dạng và kích thước bất kỳ. Năm 2008, Cui [22] và năm 2009, Jian cùng các cộng sự đã tính quang lực tác động lên các vật thể có kích thước cỡ nanô [17], [61]. Tất cả các phương pháp tính trên được tổng quan trong công trình của M. S. Rocha [57]. 2 Các công trình lý thuyết tính quang lực trên đều dừng lại ở trường hợp sóng phẳng, tức là áp dụng cho chùm laser phát ra từ buồng cộng hưởng gương phẳng trong chế độ phát liên tục (TEM00) [3]. Trong thực tế, chùm tia laser Gaussian, phát ra từ buồng cộng hưởng gương cầu là chủ yếu và được điều biến xung. Do đó, từ năm 2005 đến nay, nhiều tác giả đã tính toán cho mô hình kìm sử dụng xung laser [4], [34], [53], [54], [55], [72]. Zhao và cộng sự đã công bố kết quả tính quang lực cho kìm sử dụng một chùm xung Gaussian [53]. Bằng phương pháp mô phỏng, Zhao đã khảo sát phân bố quang lực ngang và dọc trên các mặt phẳng pha (,z), (,t) và (z,t). Những năm gần đây, Hồ Quang Quý và cộng sự đã nghiên cứu một số cấu hình bẫy quang học, kìm quang học và ảnh hưởng các tham số thiết kế [1] và một vài hiệu ứng vật lý lên hoạt động của chúng [64], [72], [73]. Cấu hình kìm quang học sử dụng một chùm tia hay nhiều chùm tia laser cố định chỉ hữu hiệu cho mục đích giam giữ hoặc điều khiển đơn vi hạt (một hạt hoặc gom một số hạt vào một điểm) [40], [58], [70], [71], [77], [81]. Với mục đích giam giữ và điều khiển đồng thời được nhiều vi hạt trong một không gian nhất định và thời gian nhất định, mảng kìm quang học có thể được tạo ra bởi nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và ứng dụng. Với tốc độ quét chùm tia nhanh hơn vận tốc chuyển động nhiệt của vi cầu trong chất lưu, phương pháp quét một chùm tia theo không gian (thời gian) tạo ra mảng vùng bẫy hai chiều trên tiết diện ngang của chất lưu [8], [16], [32], [84]. Nhờ đó, có thể gom được nhiều vi cầu vào một vùng mong muốn. Phương pháp sử dụng hệ quang có chứa linh kiện nhiễu xạ, có thể tạo ra được nhiều điểm hội tụ của chùm tia trên tiết diện ngang của chất lưu, nhờ đó, có thể bẫy đồng thời nhiều vi cầu tại các vị trí mong muốn trong không gian 2D của mặt mẫu [26], [29], [38], [39], [59]. Phương pháp này sử dụng linh kiện nhiễu xạ cố định (cứng), do đó, kích thước của mảng kìm sẽ cố định, dẫn đến khó có thể bẫy được tất cả các vi cầu có phân bố ngẫu nhiên trong chất lưu 3 [62], [82]. Nếu khi nồng độ các vi cầu trong chất lưu thấp, cần phải thay thế linh kiện nhiễu xạ cho phù hợp. Đây là vấn đề phức tạp và tốn kém trong chế tạo mảng kìm. Phương pháp sử dụng phần mềm máy tính điều khiển cơ cấu của hệ quang, có thể thay đổi tiêu điểm của kính vật (vết chùm tia laser) trong không gian ba chiều (X, Y, Z), tạo ra mảng kìm quang học 2,5D [85]. Các mảng kìm quang học sử dụng phương pháp điều khiển thông minh là phương pháp tiên tiến hiện nay. Tuy nhiên, các tác giả cũng chỉ ra rằng, việc điều khiển bằng máy tính toàn bộ hệ quang gồm nhiều chi tiết cơ - quang với độ chính xác cao sẽ khó khăn trong ổn định vùng bẫy. Phương pháp sử dụng mảng vi thấu kính, được chế tạo bằng phương pháp khắc proton, đặt trên quang trình của chùm tia laser đã tạo ra mảng kìm quang học 2D. Nhờ đó, có thể bẫy và giam giữ các vi cầu trên tiết diện ngang của chất lưu, tại một mặt phẳng xác định trên trục chùm tia laser (tại tiêu diện của các vi thấu kính) [20]. Tuy nhiên, cũng như phương pháp sử dụng linh kiện nhiễu xạ, mảng vi thấu kính được chế tạo sẵn (cứng) với kích thước vi thấu kính (đường kính mở) và kích thước mảng (chu kỳ lặp) cố định. Để có thể thay đổi quang lực (thay đổi gradient cường độ chùm tia), thay đổi vùng ổn định hay tăng kích thước mạng cần phải thay thế mảng thấu kính khác. Yêu cầu này dẫn đến, cần có một loạt các mảng thấu kính chế tạo sẵn với các thông số khác nhau để thay đổi, đồng thời phải thay đổi lại hệ quang cho phù hợp. Rõ ràng, để đảm bảo được yêu cầu trên, quá trình thực nghiệm thiết kế chế tạo sẽ phức tạp hơn, đồng thời tốn kém kinh phí. Từ những lý do trên, yêu cầu đặt ra là cần có một mảng vi thấu kính linh động, có thể điều khiển được các thông số của mạng (khoảng cách giữa các vi thấu kính) và của vi thấu kính (đường kính, tiêu cự, độ dày) tại thời điểm mong muốn. Hay nói cách khác, cần có một mảng vi thấu kính linh 4 động có thể điều khiển nhẹ nhàng hơn. Đây là vấn đề khoa học và công nghệ còn bỏ ngỏ, cần được quan tâm nghiên cứu. Như chúng ta đã biết, chiết suất của môi trường có thể được biến điệu bởi sóng âm và hiệu ứng quang - âm được ứng dụng để tạo ra nhiều thiết bị quang khác nhau [14], [28], [80], [86],[88]. Nếu một môi trường được biến điệu bởi sóng âm dạng hình sin, thì chiết suất của chúng sẽ thay đổi dạng hình sin với biên độ biến điệu tỉ lệ thuận với cường độ sóng âm và hằng số đáp ứng của môi trường. Khi đó, môi trường sẽ trở thành chuỗi nhiều lớp có chiết suất thay đổi liên tục (GRIN). Bằng cách nào đó, nếu có thể tạo ra được mảng các khối môi trường nhỏ có chiết suất GRIN chúng ta sẽ được mảng các vi thấu kính có đường kính tương đương bước sóng sóng âm. Hơn nữa, tiêu điểm của các vi thấu kính đơn trong mảng sẽ được điều khiển trong không gian ba chiều bằng cách thay đổi cường độ và tần số sóng âm, tức là thay đổi tín hiệu điện của nguồn sóng âm. Bằng cách này, quá trình điều khiển tâm kìm trong không gian ba chiều sẽ linh động hơn (không cần thay thế mảng vi thấu kính khác) và tránh được sai số cơ học như các hệ đã trình bày ở trên. Ý tưởng này có thể thực hiện được dựa trên kết quả công nghệ chế tạo vật liệu quang - âm và nguồn sóng siêu âm. Một số môi trường quang - âm có hệ số quang giảo lớn như thủy tinh thạch anh (SiO2), tinh thể Galium Asenite (GaAs) [25], [50], [86] hoặc Germanium và tinh thể dẫn xuất vô định hình Ge33As12Se33 [66] được sử dụng. Trong số các vật liệu quang - âm kể trên, tinh thể vô định hình Ge33As12Se33 có hệ số quang giảo lớn nhất. Tinh thể vô đinh hình Ge33As12Se33 nhận được sau khi cắt bỏ một số một số nguyên tử Se trong thủy tinh Ge33As12Se55 bằng phương pháp laser xung cực nhanh. Thủy tinh Ge33As12Se55 là một loại thủy tinh rất quan trọng của vật liệu vô định hình, nó được chế tạo băng phương pháp nóng chảy làm lạnh nhanh từ các nguyên chất có độ tinh cao [91], [92]. Nó có nhiều ứng dụng 5 như tạo bộ nhớ quang học thay đổi pha, tế bào pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học. Thuỷ tinh này trong suốt trong vùng hồng ngoại trung với chiết suất tuyến tính và phi tuyến cao. Với tính chất quang đã nói, hiện nay vật liệu này được quan tâm nhiều trong việc chế tạo ống dẫn quang trong sử lý tín hiệu phục vụ truyền tín hiệu tốc độ cao và bộ tách ghép đa bước sóng với tốc độ cực cao 640 Gb/s. Ngoài yếu tố vật liệu quang - âm, hiện nay các nguồn sóng siêu âm có cường độ lớn đã được chế tạo. Năm 2002, Kohrmann và cộng sự [93] đã chế tạo thành công nguồn phát sóng siêu âm bằng ống gốm áp điện. Sóng âm được hội tụ vào diện tích 128mm2 cho cường độ trung bình lên đến Is  8,591107 W / m2 . Dựa vào kết quả nghiên cứu về nguồn sóng siêu âm của Aristizabal và cộng sự [10], năm 2011, Kotopoulis đã nghiên cứu thành công nguồn siêu âm có cường độ lớn Is  3 104 W / m2 bằng tinh thể LiNbO3 [79]. Gần đây, vào năm 2012, Ipatov và cộng sự đã sử dụng nguồn siêu âm có cường độ lên đến Is  3 107 W / m2 để nghiên cứu về các lớp vật liệu chống âm [94]. Trên cơ sở phát triển của khoa học và công nghệ về vật liệu quang - âm và nguồn siêu âm, chúng tôi thực hiện ý tưởng tạo mảng vi thấu bằng hiệu ứng quang - âm thỏa mãn yêu cầu tạo mảng kìm quang học linh động. Trước tiên chúng tôi tập trung nghiên cứu khảo sát lý thuyết. Nội dung nghiên cứu được đề cập trong luận án “Mảng kìm quang học biến điệu quang - âm”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát sự hình thành của mảng vi thấu kính trong môi trường quang - âm biến điệu bằng sóng âm. - Khảo sát đánh giá các điều kiện hoạt động của mảng kìm sử dụng mảng vi thấu kính biến điệu quang - âm. - Nghiên cứu quá trình sàng và phương pháp sàng vi hạt trong mảng kìm quang học biến điệu quang - âm. 6