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. 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. 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. Tất cả các phương pháp tính trên được tổng quan trong công trình của M. 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.
