Ảnh hưởng của cường độ laser lên tiêu cự thấu kính phi tuyến màng màu mỏng

Vật lý 
Bùi Xuân Kiên, “Ảnh hưởng của cường độ laser lên tiêu cự  màng màu mỏng.” 174 
ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ LASER LÊN TIÊU CỰ 
THẤU KÍNH PHI TUYẾN MÀNG MÀU MỎNG 
Bùi Xuân Kiên* 
 Tóm tắt: Trên cơ sở hiệu ứng Kerr, các thấu kính phi tuyến từ màng mỏng các 
hỗn hợp màu hữu cơ đã được đề xuất. Tiêu cự của các thấu kính phi tuyến này đã 
được khảo sát với chùm laser Gauss có cường độ khác nhau. Kết quả khảo sát được 
bình luận cho việc ứng dụng chế tạo kìm quang học điều khiển vi hạt theo trục chùm 
tia trong giới hạn micromet với độ phân giải cao. 
Từ khóa: Tự hội tụ, Thấu kính phi tuyến, Hỗn hợp màu hưu cơ, Kìm quang học. 
1. MỞ ĐẦU 
Thấu kính phi tuyến đã được phát hiện và nghiên cứu dựa trên hiệu ứng nhiệt 
[1, 2], hiệu ứng quang âm [3] và đặc biệt hiệu ứng Kerr [4]. Dựa vào hiệu ứng này 
mà các nghiên cứu thay đổi cấu trúc chùm tia laser [5], xác định hệ số phi tuyến 
bậc hai bằng phương pháp Z-scan [6], điều khiển vi hạt trong kìm quang học phi 
tuyến đã được triển khai [4] và thu được các thành công. Với các vật liệu Kerr cổ 
điển dạng khí, lỏng thì hệ số phi tuyến bậc hai rất thấp, n2 3.10
-18 cm2/W [7], do 
đó, hiệu ứng phi tuyến rất yếu nên việc ứng dụng vào thực tế rất khó khăn vì phải 
dùng laser có cường độ cao. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu chế tạo 
vật liệu phi tuyến mới đã thu được những kết quả đáng khích lệ, đặc biệt các chất 
màu hữu cơ tổng hợp có hệ số chiết suất phi tuyến rất cao, tăng lên hàng chục bậc. 
Koushki xác định hệ số chiết suất phi tuyến của dung dịch màu hữu cơ Acid Blue, 
n21.10
-6cm2/W [8]; Krishnamurthy khảo sát dung dịch thuốc nhuộm 
Mercurochrome có n2 1.10
-7 cm2/W ở bước sóng 532nm [9]; Jeyaram đo được hệ 
số chiết suất phi tuyến của Acid Green bước sóng 635nm là n2 1.10
-7 cm2/W [10]; 
Dhanuskodi và cộng sự đã khảo sát thiourea và các phức chất kim loại của nó như 
Zn và Cd trong nước cho thấy hệ số chiết suất phi tuyến của chúng vào khoảng n2 
1.10-8 cm2/W ở bước sóng 532 nm[11]. Các chất màu hữu cơ này có thể lắng 
đọng thành các lớp màng mỏng dưới 1mm trên nền thủy tinh [12]. Với các lớp 
màng mỏng này thì hiệu ứng Kerr vẫn xẩy ra vì hệ số chiết suất phi tuyến cao, do 
đó, có thể sử dụng các màng này như thấu kính mỏng phi tuyến trong các linh kiện 
vi quang như kìm quang học. 
Nhằm định hướng cho việc áp dụng các lớp màng mỏng này trong chế tạo kìm 
quang học phi tuyến, chúng tôi thực hiện khảo sát ảnh hưởng của cường độ laser 
lên tiêu cự của thấu kính phi tuyến chế tạo bằng các lớp chất màu khác nhau với độ 
dày khác nhau. 
2. TIÊU CỰ THẤU KÍNH PHI TUYẾN 
Khi chiếu một chùm laser có cường độ I không đổi vào môi trường phi tuyến 
Kerr thì chiết suất của môi trường sẽ thay đổi theo cường độ và được mô tả bởi hệ 
thức sau [13]: 
0 2n n n I (1) 
trong đó, 0n là chiết suất tuyến tính khi chưa có mặt của chùm laser, 2n là hệ số 
chiết suất phi tuyến tuyến. Nếu chùm laser có phân bố cường độ trên tiết diện 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 54, 04 - 2018 175
chùm tia là dạng hàm Gauss, khi đó, chiết suất của môi trường cũng phân bố tương 
tự, tức là: 
2 2
0 0 2 02 2
0 0
r r
I I exp n n n I exp
W W
 (2) 
trong đó, 0W là bán kính thắt chùm laser, 0I là cường độ tại tâm thắt chùm và r là 
bán kính hướng tâm trên tiết diện chùm tia. Khi đó, lớp môi trường chiều dày d 
này sẽ trở thành khối có chiết suất thay đổi liên tục từ tâm, tại trục chùm tia ra 
ngoài (tấm GRIN) và trở thành thấu kính phi tuyến với tiêu cự được xác định trong 
gần đúng cận trục như sau: 
2 2
02 2
0 0
1
r r
I I exp I
W W
 (3) 
Thay (3) vào (2) chúng ta nhận được: 
2
2 22 0
0 2 0 0 2 0 02 2
0 0 0 2 0
( ) 1 1 (1 )
n Ir
n r n n I n n I r N r
W W n n I
 (4) 
Từ hệ thức (4) chúng ta có thể rút ra [13]: 
2
0
0
2 0
2 0 2
0 0 2 0
1
pt
W
f
N sin d dn I
n I sin
W n n I
 (5) 
Áp dụng các tham số thiết kế như công suất laser, bán kính thắt chùm và độ 
dày màng và hệ số chiết suất phi tuyến của các hỡn hợp màu hữu cơ, chúng ta có 
thể khảo sát ảnh hưởng của cường độ laser, độ dày màng vào tiêu cự và từ đó bình 
luận về khả năng ứng dụng cho kìm quang học. 
3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ LASER LÊN TIÊU CỰ 
Chúng ta khảo sát thấu kính phi tuyến (TKPT) như trên hình 1. 
Hình 1. Mô tả thấu kính phi tuyến trên màng màu mỏng. 
Thấu kính phi tuyến hình thành khi chùm laser Gauss có bán kính thắt chùm 
0W , cường độ, I0 chiếu vào màng màu mỏng có độ dày d thay đổi với bốn giá trị 
0,5; 0,4; 0,3 và 0,2 mm. Trên hình 2 là đường đặc trưng mô tả sư phụ thuộc của 
Vật lý 
Bùi Xuân Kiên, “Ảnh hưởng của cường độ laser lên tiêu cự  màng màu mỏng.” 176 
tiêu cự thấu kính của màng màu Acid Blue có hệ số chiết suất n21.10
-6 cm2/W [8] 
vào cường độ laser được khảo sát bằng hệ thức (5). 
Chúng ta nhận thấy, khi thay đổi công suất laser sao cho cường độ laser tại tâm 
chùm tia thay đổi trong khoảng (50500) W/cm2, tiêu cự TKPT sẽ thay đổi trong 
miền (050) m. So sánh bốn đường đặc trưng, chúng ta thấy khi chiều dày màng 
lớn hơn, mức độ thay đổi của tiêu cự sẽ nhỏ hơn, đồng thời vùng thay đổi cũng nhỏ 
hơn. Với độ dày 0,5 mm, vùng thay đổi tiêu cự là 18m, trong khi đó, vùng này sẽ 
lớn hơn nhiều khoảng 46m với màng có độ dày 0,2mm với cùng khoảng thay đổi 
cường độ laser. Hơn nữa, khi cường độ laser lớn, độ tinh chỉnh tiêu cự sẽ mịn hơn, 
ví dụ khi thay đổi cường độ laser một lượng 50 W/cm2 tiệu cự sẽ thay đổi một 
khoảng 50nm (hình 3). Có thể thấy độ phân giải tiêu cự rất lớn khoảng 
1nm/1Wcm-2. 
Hình 2. Đặc trưng tiêu cự-cường độ laser của TKPT màng màu Acid Blue. 
 Các đường đặc trưng tiêu cự-cường độ laser cho TKPT màng màu 
Mercurochrome có n2 1.10
-7 cm2/W (hình 4) và phức chất kim loại của thiourea 
trong nước có n2 1.10
-8 cm2/W (hình 5) kích thích bởi laser bước sóng 532nm 
cũng được khảo sát. Các đường đặc trưng này hoàn toàn tương tự nhau, tuy nhiên 
để có cùng một khoảng thay đổi tiêu cự TKPT khoảng 50 m cần phải thay đổi 
cường độ trong khoảng từ 500 W/cm2 đến 5000 W/cm2 cho thấu kính màng 
Mercurochrome và từ 5.103 W/cm2 đến 5.104 W/cm2 cho thấu kính màng thiourea. 
Hình 3. Xác định độ phân giải tinh chỉnh tiêu cự. 
Nhược điểm của các TKPT màng có hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ phải dùng 
đến cường độ công suất cao, tuy nhiên một ưu điểm rõ ràng đó là độ phân giải khi 
điều chỉnh tiêu cự sẽ rất lớn 1nm/10Wcm-1 (hình 4) hoặc 1nm/100Wcm-1 (hình 5). 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 54, 04 - 2018 177
Hình 4. Đặc trưng tiêu cự-cường độ laser của TKPT màng màu Mercurochrome. 
Hình 5. Đặc trưng tiêu cự-cường độ laser của TKPT màng màu phức chất 
thiourea trong nước. 
Từ các kết quả khảo sát và phân tích trên, có thể khẳng định rằng, các TKPT 
trên cơ sở màng các chất màu này có thể ứng dụng thiết kế kìm quang học điều 
khiển các vi hạt trong phạm vi micromet với mấy lý do sau: i) Độ dày màng rất 
mỏng dưới millimet (d<1mm) tương đương chiều dày chất lưu chứa mẫu có kích 
thước nano sẽ dễ dàng đặt trước mẫu như hệ hội tụ quang; ii) Tiêu cự thấu kính có 
thể thay đổi trong vùng micromet 050 m, thậm chí dưới micromet (fpt <1m) sẽ 
cho ta hệ hội tụ với khẩu độ số lớn (NA2W0/fnf>1) đảm bảo bẫy được các vi hạt 
điện môi, đồng thời có thể điều khiển vi hạt bẫy theo chiều dọc trục chùm tia laser 
với độ chính xác đến nm bằng cách thay đổi công suất laser, tương tự phương pháp 
đề xuất trong công trình [4], mà không cần đến hệ điều khiển quang-cơ phức tạp 
như các công trình trước đây [14]. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã khảo sát sự phụ thuộc của tiêu cự thấu kính phi tuyến trên các màng 
mỏng hỗn hợp màu được hình thành khi chiếu bởi chùm laser Gauss. Tiêu cự thấu 
Vật lý 
Bùi Xuân Kiên, “Ảnh hưởng của cường độ laser lên tiêu cự  màng màu mỏng.” 178 
kính phụ thuộc vào cường độ laser, độ dày màng và hệ số chiết suất phi tuyến của 
chất tạo màng. Kết quả cho thấy, tiêu cự thấu kính phi tuyến thay đổi trong vùng 
micromet khi thay đổi cường độ laser ở ba vùng khác nhau đối với các chất màu 
khác nhau. Đối với màng chất màu có hệ số chiết suất phi tuyến thấp cần phải kích 
thích bởi chùm laser có cường độ cao và ngược lại. Với các chất màu có hệ số 
chiết suất thấp phải dùng cường độ laser thay đổi trong vùng lớn, tuy nhiên, độ 
phân giải tinh chỉnh tiêu cự sẽ cao hơn. Kết quả khảo sát và phân tích gợi ý ứng 
dụng các thấu kính phi tuyến này vào thiết kế kìm quang học phi tuyến điều khiển 
vi hạt dọc trục chùm tia. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. M. Franko, Thermal Lens Spectrometric Detection in Flow Injection Analysis 
and Separation Techniques, Appl. Spectrosc. Rev., 43, 358–388 (2008). 
[2]. A. Cognet, S. Berciaud, D. Lasne, B. Lounis, Photothermal Methods for 
Single Nonlumimescent Nanoobjects, Anal. Chem., 80, 2289–2294 (2008). 
[3]. T. T. Doan, K. D. Quoc, Q. H. Quang, Acoustic-optical tweezers for stretch of 
DNA molecule, J. Otp Quant Electron., 50:51 (2018). 
[4]. T. T. Dinh, K. Q. Doan, K. B. Xuan, Q. H. Quang, 3D controlling the bead 
linking to DNA molecule in a single-beam nonlinear optical tweezers, J. Otp 
Quant Electron. , 48:561 (2016). 
[5]. Ho Quang Quy, Tran Ba Chu, Mai Van Luu and Tran Ngoc Truoi, Influence 
of Intracavity Nonlinear Effects on Laser Beam’s Structure, Proc. 
IWP&Appl., Cantho, pp.361-366 (2007). 
[6]. M. B. Alsous, M.D. Zidan, Z. Ajji. A. Allahham, Z-scan measurements of 
optical nonlinearity in Acid Blue 29 dye, Optik-International J. for Light and 
Electron Optics, 125 (18), 5160-5163 (2014). 
[7]. W. R. Boyd, Nonlinear optics, Academic press (2003). 
[8]. E. Koushki, A. Farzaneh, S.H. Mousavi, Closed aperture Z-scan technique 
using the Fresnel-Kirchhoff diffraction theory for materials with high 
nonlinear refractions, Appl Phys. B99, 565-570 (2010). 
[9]. R.R. Krishnamurthy, R. Alkondan, Nonlinear characterization of 
Mercurochrome dye for potential application in optical limiting, Opt. Appl. 
XL, 187-196 (2010). 
[10]. S. Jeyaram, T.Geethakrishnan, Third-order nonlinear optical properties of 
acid green 25 dye by Z-scan method, Optics & Laser Technology, 89, 179-
185 (2017). 
[11]. S., Dhaunaraja, N.P. Rajesh, G. Vinitha, G. Bhagavannarayana, Crystal 
structure and characterization of a novel organic optical crystal: 2-
Aminopyridinium trichloroacetate, Mater. Research Bull. 46, 726-731 
(2011). 
[12]. Lam Thanh Nguyen et al, The numerical methods for analyzing the Z-scan 
data , J. Nonlinear Optic. Phys. Mat. 23, 1450020 (2014). 
[13]. B.E. A. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Series Editor(s): J. 
W. Goodman ISBN: 0471213748 (Electronic) 0471839655 (Print) Copyright 
© 1991 John Wiley & Sons, Inc. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 54, 04 - 2018 179
[14]. W. Singer, S. Bernet, M. Ristch- Marte, 3D-force calibration of optical 
tweezers for mrchanical stimulation of surfactant-releasing lung cell, Laser 
Phys. 11, 1217-1223 (2001). 
ABSTRACT 
INFLUENCE OF LASER INTENSITY ON FOCAL LENGTH OF NONLINEAR 
LENS CREATED FROM THIN LAYER OF ORGANIC DYE 
Based on the Kerr effect, the model of nonlinear lens created from thin layer of 
organic dye is proposed. The focal lengths are investigated using Gaussian beam 
laser with different intensity. The results are disscussed to use for design the optical 
tweezers which is possible to longitudinally control the trapped particles in 
microscale with high resolution. 
 Keywords: Self-focusing, Nonlinear lens, Organic dye solvent, Optical tweezers. 
Nhận bài ngày 21 tháng 11 năm 2017 
Hoàn thiện ngày 08 tháng 12 năm 2017 
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2017 
Địa chỉ: Trường ĐH Điện lực. 
*Email: kienbx.epu2011@gmail.com.