Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số lên kìm quang học sử dụng hai chùm xung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÊN KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.09 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Hồ Quang Quý HÀ NỘI 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Đình Hải LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.

Hồ Quang Quý, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo, những người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp trong Viện Vật lý kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Viện Khoa học và công nghệ Quân sự - Bộ Quốc Phòng, Trường Đại Học Vinh, Trường CĐSP Nghệ An đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu …………………………………………….

i Danh mục các hình vẽ …………………………. iii Mở đầu …………………………. TỔNG QUAN VỀ KÌM QUANG HỌC SỬ DỤNG HAI CHÙM XUNG GAUSS NGƯỢC CHIỀU.2 Kìm quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.1 Cấu hình quang của hai chùm xung Gauss ngược chiều.2 Biểu thức cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược chiều.3 Ảnh hưởng của khoảng cách d đến phân bố cường độ tổng 19 1.4 Ảnh hưởng của mặt thắt chùm tia W0 đến phân bố cường độ tổng.5 Biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi.6 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W0 lên phân bố quang lực dọc.7 Ảnh hưởng của độ rộng xung τ lên phân bố quang lực dọc 26 1.8 Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d đến quang lực dọc.9 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt W0 lên quang lực ngang 29 1.10 Ảnh hưởng của khoảng cách hai mặt thắt d lên quang lực 32 ngang.11 Ảnh hưởng của độ rộng xung lên quang lực ngang.3 Chuyển động Brown của vi hạt điện môi trong chất lưu.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của bẫy quang học.1 Sự cần thiết của sự ổn định.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của hạt trong quá trình bẫy.5 Kết luận chương 1. QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT.1 Phương trình Lagevin cho trường hợp tổng quát.2 Phương trình động học của vi hạt trong bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều.3 Thuật toán và quy trình mô phỏng.4 Chuyển Brown trong mặt phẳng tiêu bản .5 Quá trình động học của vi hạt khi có quang lực.6 Kết luận chương 2.

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN QUÁ 58 TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA VI HẠT 3. Ảnh hưởng của vị trí ban đầu của vi hạt .2 Ảnh hưởng của năng lượng tổng.3 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt.5 Kết luận chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ LÊN VÙNG ỔN 72 ĐNNH CỦA KÌM.1 Khái niệm về vùng ổn định không gian - thời gian.2 Ảnh hưởng của năng lượng xung laser lên vùng ổn định.3 Ảnh hưởng của bán kính thắt chùm lên vùng ổn định.4 Ảnh hưởng của độ rộng xung lên vùng ổn định.5 Ảnh hưởng của tần số lặp xung laser lên sự ổn định.6 Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định.7 Ảnh hưởng của bán kính vi hạt lên vùng ổn định.8 Ảnh hưởng của độ nhớt chất lưu lên vùng ổn định.9 Kết luận chương 4 91 KẾT LUẬN CHUNG. 93 Tài liệu tham khảo.

105 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa a Bán kính hạt điện môi hình cầu α Hệ số ma sát nhớt β Hệ số hấp thụ một lần B Hệ số Anhxtanh c Vận tốc ánh sáng trong chân không Cpr Tiết diện tán xạ D Hệ số khuếch tán d Khoảng cách giữa hai đỉnh xung E0 Năng lượng tổng của chùm tia
El Cường độ điện trường của chùm bên trái
Er Cường độ điện trường của chùm bên phải
E Véc tơ cường độ điện trường ε0 Hằng số điện môi Fgrad Lực gradient Fp Lực Lorentz Fscat Lực tán xạ Ft Thành phần lực do biến đổi của từ trường
f Lực tổng hợp tác động vào hạt
f vis Lực tác động phụ thuộc vận tốc
f total Lực tác động không phụ thuộc vận tốc
f Brown Lực Brown ii
f gravity Trọng lực
f Hydrate Lực đàn hồi của môi trường η Độ nhớt của môi trường
H Từ trường tương ứng trong gần đúng cận trục
h (t ) Hàm ngẫu nhiên (randum) Il Cường độ chùm tia bên trái Ir Cường độ chùm tia bên phải I Cường độ tổng của hai chùm tia k Số sóng
k Véc tơ sóng m = n1 Tỉ số chiết suất hạt bẫy với môi trường chất lưu n2 m khối lượng hạt bẫy µ0 Độ từ thNm trong chân không n1 Chiết suất của hạt điện môi hình cầu n2 Chiết suất của môi trường chứa hạt điện môi Pp Công suất bơm
P Véc tơ momen lưỡng cực ρ Toạ độ hướng tâm σ Hệ số phân cực của hạt hình cầu trong chế độ Rayleigh τ Bán độ rộng xung U Năng lượng chùm Gauss của laser ∇ Toán tử laplace W Bán kính tiết diện thắt chùm ω0 Tần số sóng W0 Bán kính tiết diện thắt chùm tại mặt phẳng z =0 iii λ Bước sóng của chùm laser ρ0 toạ độ ban đầu của hạt bẫy
ρ Véc tơ đơn vị theo hướng xuyên tâm
x Véc tơ đơn vị của phân cực dọc theo hướng trục x
z Véc tơ đơn vị dọc theo hướng truyền của chùm tia z h.ν Năng lượng trung bình của một photon bơm ∆t Khoảng thời gian ổn định của hạt trong bẫy ∆ρ Đường kính vùng ổn định δT Độ trễ thời gian giữa hai xung iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1. Tia sáng khúc xạ tại giao diện của hạt điện môi 10 Hình 1. Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt hạt điện môi. Lực tác dụng lên hạt điện môi trong chế độ Rayleigh.

Sơ đồ chi tiết cấu tạo bẫy quang học sử dụng một chùm laser trong thực nghiệm. Sơ đồ bẫy quang học sử dụng hai chùm Gauss ngược chiều. KhNu độ số của hệ vật kính. Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của khoảng cách giữa hai mặt thắt d: 15µm (a), 10µm (b), 5µm (c) và 0µm (d).

Phân bố cường độ tổng với các giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt W0: 2µm(a), 1. Phân bố quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với các giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt W0:0. Phân bố của quang lực dọc trong mặt phẳng pha (z,t) với các giá trị khác nhau của độ rộng xung τ: 0. Ảnh hưởng của khoảng cách d lên quá trình phân bố của quang lực dọc: d = 5µm(a), d = 10µm(b), d = 15µm(c) và d = 20µm(d).

Phân bố quang lực ngang trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho các giá trị của W0: 0. Hố thế tạo bởi lực ngang. Phụ thuộc của giá trị cực đại quang lực ngang vào bán kính mặt thắt trong trường hợp t = 1τ, d = 10µm tại vị trí z=0. Phân bố quang lực ngang Fgrad,ρ trong mặt phẳng (ρ,t) với các giá trị khác nhau của d: 1µm(a), 5µm(b), 10µm(c) và 15µm(d).

Quang lực ngang, Fgrad,ρ trong mặt phẳng pha (ρ,t) cho các xung có độ rộng khác nhau của τ: 0,5ps(a), 1ps(b) và 1,5ps(c) 34 Hình 1. Mô hình chuyển động Brown. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách trục chùm tia một khoảng ρ0= 1(µm) với bước thời gian mô phỏng khác nhau: a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000. Chuyển động Brown của vi hạt thủy tinh trong nước cách trục chùm tia một khoảng ρ0= 0(µm) với bước thời gian mô phỏng khác nhau: a) δ t = 6τ / 2000 , b) δ t = 6τ / 4000 , c) δ t = 6τ / 8000 , d) δ t = 6τ / 10000.

Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0. Vị trí của hạt thể hiện trên mặt tiêu bản. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0.

Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=5. Vị trí của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: τ=1(ps), a=10(nm), λ=1,064 (µm), W0=1(µm), t=(0÷ 6) ps, ρ0=2(µm). Quá trình động học của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0,9(µJ), τ=1(ps), ρ0=1(µm), λ=1,064(µm), a=10(nm), t=(0÷6)ps, W0=1(µm)(a); W0=2(µm)(b); W0=3(µm)(c); W0=4(µm)(d).

Quá trình động học của hạt trong bẫy tương ứng với các thông số: U=0,9 (µJ), τ=1(ps), ρ0= 1(µm), λ=1,064 (µm), W0 =1(µm), t=(0÷6)ps: a= 8(nm)(a); a= 10(nm)(b); a=14(nm)(c); a= 18(nm)(d). Vùng ổn định của kìm. M« t¶ giíi h¹n vïng æn ®Þnh cña vi h¹t trªn mÆt ph¼ng x-y. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào năng lượng laser 75 Hình 4.

Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào năng lượng laser. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào bán kính thắt chùm. Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào bán kính thắt chùm. Sự phụ thuộc của thời gian ổn định vào độ rộng xung Gauss.

Sự phụ thuộc của đường kính vùng ổn định vào độ rộng xung Gauss. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 6. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 4. Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 3.

Ổn định của vi hạt phụ thuộc tần số lặp xung f = 1 2. Ảnh hưởng của độ trễ xung lên vùng ổn định khi δT= 0.