Chương 1: Kìm quang học ứng dụng điều khiển vi hạt Tổng quan về OF, OT, LOTW, NOTW và các vật liệu phi tuyến bậc ba (KF); phân tích những ưu điểm, nhược điểm của kìm quang học đã được nghiên cứu, từ đó đề xuất NOTW sử dụng OD. Chương 2: Mẫu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng thuốc nhuộm hữu cơ. Đưa ra cấu hình của NOTW sử dụng OD như NML. Dẫn các biểu thức về tiêu cự của NML, OF tác động lên DMP.
Khảo sát số, sự phụ thuộc của tiêu cự của NML, tiết diện thắt LGB trong chất lưu, phân bố của OF trong không gian ba chiều vào các tham số thiết kế. Hiệu suất bẫy của kìm quang học phi tuyến Dẫn biểu thức của OTE dọc, ngang của NOTW. Khảo sát sự phụ thuộc của OTE vào các tham số thiết kế. So sánh OTE của NOTW với OTE của OTW.
Bình luận rút ra đặc trưng ưu việt của NOTW đã đề xuất. Điều khiển toàn quang vi hạt trong không gian. Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP tự do trong không gian hai chiều, ba chiều. Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP bẫy liên kết với phân tử ADN và quá trình kéo căng phân tử ADN.
Bình luận về cấu hình NOTW ứng dụng cho quá trình kéo căng các chủng loại phân tử ADN có CL khác nhau. Nội dung chính của luận án được công bố trong 06 bài báo khoa học đăng trên các tạp chí: Optic Communication (02 bài, ISI), Optical and Quantum Electronics (01 bài, ISI), Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự (01 bài), Hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc (02 bài). 5 Chƣơng 1 KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT Chương này sẽ trình bày tổng quan về phát triển của bẫy quang học (OT), khái niệm quang lực (OF); các loại OF và cơ chế hình thành chúng; cơ sở thiết kế kìm quang học tuyến tính LOTW và điều kiện bẫy các vi hạt điện môi (DMP); những yêu cầu nghiên cứu trong thực tế và đề xuất các dạng LOTW ứng dụng điều khiển DMP bẫy trong không gian; những đề xuất áp dụng hiệu ứng phi tuyến (KE) vào thiết kế kìm quang học tuyến tính (NOTW) cho mục đích điều khiển vi hạt bằng phương pháp toàn quang (aOCM).1 Tổng quan về phát triển của kìm quang học Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin đã khẳng định có thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các vi hạt điện môi (Dielectric MicroParticles-DMP) [7].
Phát hiện đó đã được chính Ashkin và cộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực gradient (Gradient Optical Force-GOF) của một chùm laser được hội tụ mạnh tác động lên DMP [8]. Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quang lực (Optical Force-OF) của chùm tia laser tác động lên DMP và một số mẫu bẫy quang học (Optical Trap-OT) khác nhau [9],[10],[12],[17],[25]. Không chỉ dừng lại ở chức năng giam giữ các DMP tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có thể điều khiển (Control) di chuyển các DMP trong không gian bằng cách thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học - từ đây định nghĩa là kìm quang học tuyến tính (Linear optical tweezers-LOTW) là thiết bị quang học có thể đồng thời giam giữ và di chuyển DMP trong không gian ra đời [11],[13],[29],[33],[36],[40],[41],[54], [57],[66],[77],[87],[88],[105],[108].
Ngay sau khi ra đời, LOTW được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệu trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn, đặc 6 biệt các phân tử ADN [53],[57],[77],[87],[88],[103]. Bằng phương pháp điều khiển điện - cơ (Electro-Mechanical Control Method-EMCM), có sự hỗ trợ của máy tính, vết hội tụ của chùm laser, tức là tâm bẫy được quét trong không gian một chiều [77], hai chiều [26],[33],[69] hoặc ba chiều [19],[107], DMP bị bẫy cũng sẽ được điều khiển theo trong không gian đó. Mặc dù đã có nhiều phương pháp như điện cơ EMCM, Điện-quang (Electro-Optical Control Method-EOCM), Quang-cơ (Opto-Mechanical Control Method-OMCM), Quang-âm (Acousto-Optical Control Method-AOCM), nhưng cho đến nay phương pháp điều khiển toàn quang chưa được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, ngoại trừ phương pháp điều khiển bằng hai chùm laser trong kìm quang học sử dụng chất lưu Kerr (Kerr Fluid-KF) được đề xuất vào 2016 [94]. Năm 1997, Rometic Pobre và cộng sự [84] đã phân tích các đặc trưng của lực bức xạ (Radiation force) sinh ra trong quá trình tương tác giữa chùm laser Gauss (Laser Gausian Beam- LGB) không phân cực và vi hạt Kerr (Kerr MicroParticle-KMP) không hấp thụ có chiết suất phụ thuộc bậc nhất vào cường độ chùm tia.
Các tính chất của lực bức xạ được xem xét như một hàm của công suất chùm tia, khoảng cách dọc trục, bán kính của DMP, tỉ số chiết suất của DMP và môi trường chung quanh. Các đặc trưng lực bức xạ thu được khi có hiệu ứng Kerr đã được so sánh với lực bức xạ khi không có mặt hiệu ứng Kerr (Kerr Effect-KE). Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tổng lực sẽ thay đổi, trong đó có đóng góp quan trọng từ KE khi cường độ chùm bức xạ đủ lớn. Sau đó 5 năm, các tác giả đã xác định đặc trưng của quang lực (Optical Force - OF) của LGB hội tụ mạnh tác động lên KMP cứng, không hấp thụ cộng hưởng [85].
Ngoài những kết quả chứng minh OF tăng lên khi tỉ số chiết suất giữa DMP và môi trường lớn hơn 1, các tác giả còn chỉ ra sự đổi hướng OF khi tỉ số chiết suất nhỏ hơn 1, tức là trong trường hợp này thay vì sử dụng chùm laser dạng Hollow Gauss (Laser Hollow- Gaussian Beam-LHGB) nên 7 sử dụng LGB cho loại vi hạt này. Các tác giả cũng đã đề xuất kỹ thuật tạo OT cho các KMP có tính phi tuyến yếu. Mãi đến năm 2012, Hồ Quang Quý và cộng sự [42],[43] đã dẫn ra biểu thức tính OF tác động lên KMP, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của cường độ đỉnh (Peak intensity), bán kính mặt thắt (Beam waist’s radius) của LGB lên OF. Các tác giả chỉ ra rằng, khả năng bẫy các KMP sẽ lớn hơn các DMP không nhạy với KE.
Đồng thời cũng chỉ ra rằng có thể sử dụng LGB để bẫy các DMP có chiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường. Tiếp tục, các tác giả Hoàng Văn Nam đã nghiên cứu OF tác động lên DMP trong môi trường Kerr mỏng [44]. Kết quả cho thấy, KE đơn thuần trong môi trường chất lưu có thể làm giảm OF tác động lên DMP, tuy nhiên, hiệu ứng tự hội tụ (Self focus effect- SFE) kèm theo có thể tái phân bố LGB trong KF và kết quả sẽ tăng cường cường độ đỉnh và giảm bán kính thắt chùm, vì thế tổng OF tác động DMP vẫn sẽ tăng lên đáng kể. Hơn nữa, các tác giả phát hiện ra rằng nếu SFE xảy ra trong môi trường Kerr có độ dày nhất định thì có thể điều khiển vi hạt trên trục chùm tia bằng cách thay đổi công suất laser trung bình (Average power of laser beam-APoLB) của LGB thay vì thay đổi cấu hình của kìm quang học, tức là thay hệ kính hiển vi (Mircoscope Objectives-MO) có khẩu độ số (Numerical Aperture - NA) khác [96].
Như vậy, các tác giả đã lần đầu tiên gợi ý kìm quang học phi tuyến (Nonlinear Optical Tweezers - NOTW) điều khiển DMP bằng phương pháp toàn quang (all Optical Control Method- aOCM). Dựa trên một số kết quả công bố trong luận án tiến sĩ của Hoàng Văn Nam, tác giả Thái Đình Trung và cộng sự [94] đã đề xuất aOCM để điều khiển DMP gắn với phân tử ADN trong không gian 3D. Một NOTW sử dụng hai nguồn laser, một trong đó có công suất yếu điều khiển vi hạt trong mặt thắt chùm tia (không gian 2D) và nguồn còn lại có công suất lớn hơn sẽ điều khiển vi hạt dọc theo trục laser (không gian 1D). Tuy nhiên, với cấu hình NOTW mà 8 Thái Đình Trung công bố trong luận án tiến sĩ của mình thì phương pháp điều khiển DMP trong môi trường Kerr cũng phải sử dụng ít nhất hai yếu tố (hai nguồn laser) giống như EMCM trước đây [27],[34],[70],[81],[107].
Năm 2017, trong luận án tiến sĩ của mình, tác giả Nguyễn Văn Thịnh đã đề xuất một cấu hình mảng kìm quang học (Array of Optical Tweezers- AoOTW) mới, trong đó sử dụng vật liệu quang âm (Acousto-optical material) và sử dụng nguồn âm có tần số và cường độ phù hợp để tạo ra mảng vi thấu kính (Array of microlens- AoML). Kết quả nghiên cứu AoOTW đã chỉ ra rằng, có thể sử dụng duy nhất tần số sóng âm để điều khiển DMP trong không gian 3D. Đề xuất của Nguyễn Văn Thịnh đã được các tác giả Hồ Quang Quý và cộng sự áp dụng cho quá trình kéo căng phân tử ADN trong không gian 3 chiều của chất lưu [95]. Kết quả cho thấy chỉ thay đổi tần số của sóng âm là có thể kéo căng phân tử ADN mà không quan tâm đến quá trình thay đổi hướng của lực đàn hồi (Elastic Force- EF) trong quá trình kéo.
Các công trình mới trên đây đã đề xuất những cải tiến cho LOTW ứng dụng trong nghiên cứu các quá trình lý sinh (Biophysical process) của các đối tượng sinh học (Bio objects). Mỗi NOTW đã nghiên cứu đều có những ưu điểm riêng và bổ trợ cho nhau, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý. - Với LOTW sử dụng KF có thể ứng dụng điều khiển DMP trong không gian ba chiều, nhưng sẽ gặp khó khăn trong quá trình chọn môi trường Kerr phù hợp với DMP có chiết suất khác và tính chất hóa, sinh khác nhau. - AoOTW tránh được nhược điểm của NOTW sử dụng KF, tuy nhiên, một lần nữa gặp phải khó khăn trong thực tế là cường độ sóng âm phải đạt giá trị cao phù hợp nào đó.
Đến đây, một câu hỏi đặt ra là có phương pháp nào để tránh được hai 9 nhược điểm trên không?. Một ý tưởng hé mở, khi trong những năm gần đây, rất nhiều chất màu hữu cơ có tính chất phi tuyến bậc ba cao đã được quan tâm và nghiên cứu chế tạo. Các chất khí thông thường như khí N2, O2, N2O, và Ar và chất lỏng như nước (H2O), ethanol (C2H5OH), benzen (C6H6),…có độ phi tuyến bậc ba rất thấp, hệ số chiết suất phi tuyến có giá trị dao động trong khoảng (10-2210-20) cm2/W [55],[74].