Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ





KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP













Giảng viên hướng dẫn: TSKH Lê Văn Hoàng
Sinh viên thực hiện: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Khóa học 31 (2005 -2009)
Tháng 04/2009,Thành phố Hồ Chí Minh


Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được khóa học và luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự
động viên, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ cha mẹ, gia đình, thầy cô, nhà trường,
người thân và bạn bè. Thông qua luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến tất cả mọi người.
Tôi gửi lời cảm tạ chân thành đến Cha Mẹ tôi, những người đã luôn bên tôi
đem lại nguồn sức mạnh gi
úp tôi luôn nỗ lực.
Tôi xin đồng gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến thầy Lê Văn Hoàng – giáo
viên hướng dẫn trực tiếp- người thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn, định hướng
cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn chỉnh luận văn và thầy Nguyễn
Ngọc Ty - giảng viên khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm TP. HCM – người thầy luôn
chỉ dẫn và giúp tôi giải quyết những khó khăn trong thời g
ian thực hiện luận văn.
Cùng các bạn đồng khóa, xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô thuộc
khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khóa học đã truyền đạt
những kiến thức, dạy chúng tôi những bài học làm người, làm thầy trong tương lai.
Xin cám ơn những bạn bè đã cùng tôi trải qua những khó khăn, hạnh phúc
trong quãng thời gian đại học này.
Sau cùng xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến gia đình, thầy cô, bạn bè.

Xin cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2009
Đặng Hoàng Thủy Tiên




SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

LỜI MỞ ĐẦU




hoa học kỹ thuật phát triển, con người ngày càng cần tìm hiểu những
quá trình xảy ra cực kỳ nhanh chóng trong tự nhiên, ví dụ như chuyển
động của electron quanh hạt nhân, thời gian sống của các hạt cơ bản, các phản ứng
hóa học, sinh học trong khoảng thời gian femto giây hoặc nhỏ hơn… Từ đó nảy
sinh nhu cầu nghiên cứu giải đáp những bí ẩn.

K
L
ASER [1] là loại tia sáng đặc biệt. Dựa trên những đặc tính của LASER: các
photon phá
t ra mang cùng một năng lượng
h

, ánh sáng đơn sắc; các photon này

đều đồng pha tạo ra chùm ánh sáng kết hợp, giúp cho LASER có thể gây ra những
tác dụng rất mạnh; ngoài ra, LASER còn có tác dụng định hướng rất tốt, các nhà
khoa học đã thấy được triển vọng cho hướng nghiên cứu mới này. Yêu cầu đặt ra là
làm sao tạo được những xung LASER có cường độ cao. Việc nghiên cứu tạo ra
những xung LASER siêu ngắn có cường độ cao, vào những năm cuối của thế kỷ 20
đã hình thành nên một lý thuyết mới “Lý t
huyết về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao”
(Theory of High-order Harmonic) [10].
Thành tựu này đã mở đường cho một loạt các ứng dụng kỳ diệu mà trước nay
chưa từng đạt được, trong đó có việc chụp ảnh phân tử bằng LASER siêu ngắn,
quan sát các quá trình trong phân tử ở cấp độ thời gian femto giây. Sử dụng một
xung LASER siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sóng hài bậc cao
của phân tử, các nhà khoa học có thể thu được những thông tin c
ho phép họ tái tạo
cấu trúc phân tử. Bằng cách đó, các nhà khoa học đã chụp ảnh được các orbital phân
tử khi chúng biến đổi trong các phản ứng hóa học, điều mà trước nay chưa từng
thực hiện được [11]. Việc thu được thông tin cấu trúc của phân tử có ý nghĩa rất
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
quan trọng, từ chỗ con người chưa biết, đến ước mơ có thể điều chỉnh, can thiệp vào
các quá trình trung gian trong các phản ứng hóa học và nay điều đó cơ bản đã thành
hiện thực với thành tựu của những nghiên cứu bước đầu được công bố vào năm
2004 [11], nghiên cứu của giáo sư Cokum–Canada.
Với mong muốn được nghiên cứu những lĩnh vực vật lý mới và tìm hiểu ứng
dụng thực tế, tác giả chọn đề tài “PH
ÁT XẠ SÓNG HÀI VÀ THÔNG TIN CẤU
TRÚC PHÂN TỬ HCN” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn nhằm kiểm
chứng nhận dịnh sóng hài có chứa thông tin phân tử, và tìm hiểu thông tin cấu trúc
HCN thông qua sóng hài thu được. Trong quá trình thực hiện luận văn tác giả đã
nhận ra nhiều điều bổ ích thông qua việc tìm hiểu một kiến thức mới, học hỏi không

bao giờ là đủ và việc tìm tòi bắt kịp những phát triển của thời đại là một nhu cầu.

Chính vì thế, thông qua luận văn tốt nghiệp này tác giả mong muốn đó sẽ là một
“món quà” gửi đến bạn đọc yêu thích Vật lý nói chung và các sinh viên khoa Vật lý
Trường Đại học Sư phạm TPHCM nói riêng những hiểu biết sơ khởi một lĩnh vực
mới mẻ, hấp dẫn và đầy triển vọng của Vật lý học. Hướng đến mục tiêu đó t
ác giả
chủ trương trình bày nội dung luận văn một cách xúc tích, đơn giản sao cho những
bạn đọc có kiến thức vật lý đại cương có thể hiểu được. Mục tiêu này đòi hỏi tác giả
phải viết bằng ngôn ngữ phổ thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học khi
chưa thật sự cần thiết, tăng cường minh họa bằng hình ảnh.
Luận văn đư
ợc tác giả trình bày thành 3 phần với mục tiêu rõ rệt ở mỗi
chương, giúp người đọc có thể nắm được nội dung chính của chương:
Mục I: Lược sử LASER. Cơ chế phát xạ sóng hài.
Mục II: GAUSSIAN và cấu trúc năng lượng HCN.
Mục III: Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học phân tử HCN/ HNC.

Để thuận tiện cho việc theo dõi luận văn, tác giả sẽ tóm lược nội dung chính.
Mục I: “LASER” một thuật ngữ ngày nay đã rất quen thuộc đối với nhiều
người, bởi lẽ LASER đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Các ứng
dụng của LASER có thể dễ dàng được tìm thấy trong đời sống hàng ngày, máy đọc
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
đĩa CD, máy quét mã vạch ở siêu thị, máy in LASER trong các văn phòng… đến
phẫu thuật bằng LASER trong y khoa hoặc những ứng dụng trong thông tin liên lạc,
quân sự và nghiên cứu khoa học Tuy nhiên, chúng ta lâu nay vẫn quen với việc sử
dụng các ứng dụng khoa học công nghệ được đưa vào thực tế hơn là tìm hiểu về
chúng. Trong phần thứ nhất của mục này tác giả dành đôi trang giới thiệu những nét
cơ bản nhất về LASER bao gồm lịch sử phát m

inh ra LASER, các bộ phận cấu tạo
và nguyên tắc hoạt động của LASER giúp người đọc có thể hiểu thêm về thành tựu
khoa học này. Phát minh LASER là một phát minh tình cờ khi hai nhà khoa học
Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow tìm cách chế tạo một công cụ
để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, không ai nghĩ rằng sẽ chế tạo được một
thiết bị đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực trong đời sống, từ công nghệ thông tin đến
y khoa, từ dân sự đến quâ
n sự… Việc phát minh ra LASER là công trình của nhiều
nhà khoa học. Tuy nhiên, trong phần lịch sử, tác giả tóm tắt quá trình phát minh
LASER thông qua hoạt động của hai nhà khoa học Townes và Schawlow, hai người
được coi như cha đẻ của LASER (mặc dù người chế tạo LASER đầu tiên là
Theodore Harold Maiman) và giới thiệu tiểu sử vắn tắt của hai nhà khoa học này.
Để người đọc có cái nhìn tổng quát trước khi nghiên cứu chi tiết về LASER,
tác giả trình bày sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LASER. Nguyên tắc
hoạt động của LASER khá đơn giản, nhưng để nghiê
n cứu chi tiết hơn về LASER
thì cần phải có những khái niệm cơ bản dùng cho LASER. Trong đó, quan trọng
nhất là hai khái niệm sự bức xạ cưỡng bức và sự nghịch đảo nồng độ. Các khái
niệm này được trình bày ở mục I.2. Tiếp theo, tác giả lần lượt trình bày chi tiết về
ba bộ phận chính của LASER, cấu tạo và nguyê
n tắc hoạt động của chúng. Trong
phần này tác giả không đi sâu vì những thông tin này được biết nhiều qua các tài
liệu, tác giả chỉ giới thiệu những điều cơ bản cần thiết nhất để bắt đầu nghiên cứu về
vấn đề được đặt ra trong luận văn.
Nhìn chung, nội dung này sẽ trang bị cho người đọc những kiến thức sơ bộ về
LA
SER mà không đi sâu nghiên cứu chi tiết, bởi vì mục tiêu của luận văn này là Lý
thuyết phát xạ sóng hài và ứng dụng tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử HCN.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Chính vì lý do đó, tác giả cũng không trình bày về các ứng dụng của LASER, mặc
dù ứng dụng LASER rất đa dạng trong đời sống và tìm hiểu những ứng dụng đó
cũng là một việc lý thú. Nghiên cứu sâu cơ sở kỹ thuật của LASER cũng là một là
một đề tài đáng quan tâm, tuy nhiên việc này không phù hợp với mục tiêu của luận
văn. Bạn đọc muốn tham khảo thêm về cơ sở kỹ th
uật LASER có thể tìm đọc trong
sách “Cơ sở kỹ thuật LASER” (Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển – NXBGD) [2]
Ngoài ra, trong phần thứ hai của mục thứ nhất này, tác giả còn đề cập đến
hướng phát triển mới -LASER siêu ngắn. Quá trình rút ngắn chiều dài xung LASER
được tác giả trình bày theo tiến trình thời gian. Kể từ khi thiết bị LASER đầu tiên
được phát minh bởi Maiman vào năm 1960, sự tiến triển của công nghệ LASER đã
đạt được chuyển biến to lớn. Cường độ của
chùm LASER được tăng lên nhiều lần,
độ dài xung LASER được giảm đáng kể. Trong năm 1990, Zewail et al [12] đã tạo
ra xung LASER ngắn vào cỡ femto giây, điều này có ý nghĩa rằng việc chụp ảnh
nhanh phản ứng hóa học có thể thực hiện. Nó mở ra một lĩnh vực mới gọi là femto-
chemistry (hóa học thang thời gian femto giây 10
-15
s). Nỗ lực rút ngắn chiều dài
xung LASER vẫn tiếp diễn. Trong những năm gần đây hai nhà nghiên cứu người
Canada tiến sĩ Bandrauk và Corkum đã tạo nên một cuộc cách mạng mới trong khoa
học phân tử bằng cách xây dựng cách khái niệm mới trong một lĩnh vực mới có tên
gọi là “attosecond science” (Khoa học thang thời gian atto giây) (10
-18
s) [Nature].
“Attosecond Science” làm bùng nổ vật lý và hóa học đến với một ý tưởng đổi mới
về việc sử dụng xung LASER siêu ngắn cường độ cao để chụp ảnh phân tử và thậm
chí điều khiển phân tử một cách tối đa. Xung atto giây mở ra một hướng mới nghiên
cứu những lĩnh vực liên quan thang thời gian siêu ngắn. Một khả năng hứa hẹn
những thay đổi cho những hiểu biết về vật chất. Cả Science và Nature, hai trong số

các tờ bá
o khoa học tên tuổi trên thế giới đã nêu sự phát triển của xung atto giây là
một trong 10 thuận lợi quan trọng nhất trong tất cả các ngành khoa học vào trong
năm 2002.
Nội dung quan trọng nhất của phần thứ hai của mục I chủ yếu xoay quanh cơ
chế phát xạ sóng hài bậc cao (High order Harmonic Generation-viết tắt là HHG), đó
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
là một trong các cơ chế giúp tạo ra xung cực ngắn khi cho LASER có độ dài xung
ngắn, cường độ cao tương tác với phân tử. Để bạn đọc có thể hiểu được cơ chế này,
trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ trình bày một cách dễ hiểu nhất mô hình
tương tác LASER - phân tử (có minh họa bằng hình ảnh) theo mô hình ba bước của
Lewenstein [10] chứ không đi sâu vào cơ sở lý thuyết. Các bước này được mô tả chi
tiết trong mục I.4.3 Cơ chế tương tác giữa L
ASER siêu ngắn-phân tử và phát xạ
sóng hài. Sự tương tác giữa LASER với nguyên tử là phi tuyến, nghĩa là nguyên tử
sẽ phản ứng khác nhau đối với các cường độ LASER khác nhau. Khi trường
LASER yếu so với trường Coulomb của nguyên tử thì LASER chỉ khuấy nhiễu nhẹ
trạng thái của nguyên tử và sự ion hóa chỉ có thể xảy ra theo cơ chế đa photon,
nghĩa là nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon để chuyển lên trạng thái kíc
h
thích. Khi trường LASER mạnh so với trường Coulomb (cường độ LASER khoảng
10
14
W/cm
2
) thì sự ion hóa xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức là electron xuyên hầm
qua hàng rào thế tạo bởi thế Coulomb của nguyên tử và thế năng của trường
LASER để đi ra vùng phổ liên tục. Nếu trường LASER rất mạnh so với trường
Coulomb thì đỉnh của rào thế trở nên thấp hơn thế năng của electron. Do đó,

electron có thể vượt qua rào thế đi vào vùng liên tục – sự ion hóa vượt rào.
Tóm lại qua phần thứ I này, nguời đọc sẽ có một hiểu biết tổng quát về
LA
SER và tiến trình phát triển của nó từ lúc mới ra đời đến nay, hiểu được cơ chế
phát xạ sóng hài bậc cao, thấy được vai trò của xung LASER siêu ngắn trong bước
phát triển của khoa học nói chung và khoa học phân tử nói riêng qua đó làm cơ sở
tiếp tục tìm hiểu mục thứ II.

Mục II và mục III trình bày hai nội dung chính của luận văn. Sau khi đã tìm
hiểu cơ chế tạo ra xung siêu ngắn bằng phát xạ sóng hài bậc cao HHG. Tác giả sẽ
giới thiệu đến bạn đọc việc trích xuất thông tin phân tử HCN từ sóng hài phát ra khi

chiếu LASER 800nm, 2.10
14
W/cm
2
, 30 fs tương tác với HCN. Đến đây có lẽ bạn
đọc sẽ nảy sinh câu hỏi: Tại sao HHG lại có thể chứa thông tin về phân tử? Tìm
hiểu mục II bạn đọc sẽ trả lời được câu hỏi này. Những thông tin về khoảng cách
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
các nguyên tử trong phân tử HCN đã được trình bày trong luận văn thạc sĩ của tác
giả Nguyễn Đăng Khoa [4]. Ở đây, tác giả chỉ đi sâu tìm hiểu về quá trình chuyển
đổi đồng phân HCN/HNC thông qua việc khảo sát mặt phẳng thế năng (Potential
Energy Surface–viết tắt là PES). Để thực hiện được điều này tác giả đã thiết lập mô
hình tương tác LASER–phân tử trên máy tính. Trong luận văn, tác giả đã sử dụng
Source code do nhóm nghiên cứu của TS
KH Lê Văn Hoàng viết trên lập trình
FORTRAN đề tính toán sóng hài do LASER tương tác với HOMO của phân tử dựa
trên mô hình Lewenstein. Từ đó, tác giả đã sử dụng các số liệu thu được vẽ sự phụ

thuộc của cường độ sóng hài theo góc định phương. Ngoài ra sử dụng chương trình
GAUSIAN để tính mặt thế năng (PES) của phân tử HCN. Trong luận văn này tác
giả sử dụng phần mềm Origin 6.1 để vẽ, dựa trên các điểm cực trị trên mặt thế năng,
tác giả đã xác định được các đồn
g phân HCN/HNC và trạng thái chuyển tiếp. So
sánh với kết quả thực nghiệm có thể khẳng định rằng GAUSIAN cho kết quả lý
thuyết phù hợp.

Phâ
n tử chuyển đổi từ đồng phân này sang đồng phân khác như thế nào? Câu
hỏi này được tác giả nghiên cứu ở mục III “Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học
phân tử HCN” (Molecular Dynamics- viết tắt là MD). Các nghiên cứu gần đây về
việc dùng LA
SER siêu ngắn kích thích và kiểm soát quá trình đồng phân hóa HCN-
HNC cho kết quả chứng tỏ rằng: việc chuyển từ trạng thái HCN sang HNC phần
đóng góp cơ bản là khi hạt nhân Hydro nhận đủ năng lượng để vượt qua hàng rào
thế năng, hiệu ứng xuyên hầm ở đây đóng vai trò rất nhỏ. Điều này cho ta ý tưởng
sử dụng hiệu ứng phát xạ sóng hài khi tương tác HNC với laser cường độ mạnh với
xung siêu ngắn cở fem
to giây để ‘quan sát’ quá trình đồng phân hóa, kích thích việc
mô phỏng quỹ đạo cổ điển quá trình chuyển đổi HCN-HNC bằng động học phân tử
với gần đúng Born-Oppenheimer (BOMD) sử dụng phần mềm Gaussian [6]. Bằng
cách thay đổi động năng ban đầu (vận tốc) của nguyên tử Hydro cho những kết quả
khác nhau. Kết quả trình bày trong mục III ghi nhận hình ảnh cấu trúc phân tử tron
g
quá trình chuyển tiếp. Ở đây, chúng ta có thể thấy quá trình chuyển đổi từ đồng
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
phân HCN/HNC được mô phỏng trên máy tính. Thực hiện được điều này, chúng ta
có thể hy vọng rằng HHG sẽ giúp tìm hiểu những dạng phân tử phức tạp hơn.

Đó c
hính là nội dung chính được tác giả trình bày trong luận văn. Trong
khuôn khổ của luận văn này tác giả chỉ có thể trình bày những nét chính yếu của
vấn đề. Mong rằng các bạn đã có được một cái nhìn khái quát và những kiến thức
sơ bộ về lĩnh vực này để có thể tiếp tục nghiên cứu trong tương lai. Tác giả rất
m
ong nhận được sự góp ý xây dựng của các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.
Hy vọng luận văn này sẽ là một tài liệu hữu ích cho các bạn trong việc học tập và
nghiên cứu Vật lý.



SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Mục I
LƯỢC SỬ LASER và
CƠ CHẾ PHÁT
XẠ SÓNG HÀI


Trong chương này tác giả sẽ giới thiệu những nét cơ bản nhất về LASER bao
gồm lịch sử phát minh, các bộ phận cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LASER.
Đồng thời tác giả giới thiệu về nỗ lực nhằm rút ngắn độ dài xung LASER của các
nhà khoa học, kể từ khi máy LASER đầu tiên ra đời đến những năm đầu thế kỷ 21.

I.1 LƯỢC SỬ LASER
Ngày nay các thiết bị sử dụng LASER hiện diện ở nhiều nơi, nhưng khách
quan mà nói, chúng ta hiểu về nó còn rất hạn chế.

LASER là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng
bức. Vậy LASER là gì ?
Những thông tin thú vị về LASER:
Ngày nay, LASER trở thành ngành công nghiệp thu hút hàng triệu đôla.
Những ứng dụng thông thường của LASER có thể dễ dàng nhìn thấy trong các thiết
bị quang trong siêu thị như những chiếc máy đọc đĩa CD, DVD.
Không chỉ thế
LASER cũng được dùng để cắt thép và những kim loại khác. Nó được sử dụng
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
trong các lĩnh vực khoa học, đặt biệt là phổ học. Vào năm 1960, LASER thực
nghiệm đầu tiên trên thế giới được thực hiện bởi Theodore Harold Maiman tại
phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu, bang California. Tuy nhiên, hai nhà vật lý
Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow được coi là “cha đẻ” của
LASER.
Quá trình tạo nên LASER đã được đề cập đến vào
năm 1917, trong bài báo cáo Zur Quantentheorie der
Strahlung của Albert Einstein, khi ông nghiên cứu quá
trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất đã cho rằng
không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiê
n mà
còn có thể phát xạ do tác động của bên ngoài. Ông đề
cập đến giả thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng
một làn sóng điện từ, có thể sẽ xảy ra một bức xạ “được
kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon
(quang tử) phát ra có cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng khoa học nhưng chưa
có ai chứng m
inh nên lý thuyết đó gần như bị lãng quên trong nhiều năm. Năm
1928, Rudolph W. Landenburg đã chứng thực sự tồn tại của phát xạ kích thích và

độ hấp thụ âm. Sau đó, năm 1939, Valentin A. Fabrikant đã tiên đoán ứng dụng
thực của sự phát xạ kích thích để khuếch đại một vài sóng ngắn.
Mãi sau đó tại Đại học Colombia Charles Hard Tow
nes nghiên cứu về khả
năng sử dụng bức xạ cưỡng bức cho phổ học phâ
n tử. Do trình độ kỹ thuật chưa cho
phép chế tạo một thiết bị đủ nhỏ để phát ra sóng ngắn, Townes nảy ra ý tưởng sử
dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1953, Townes
cùng các đồng nghiệp công bố một thiết bị gọi là MASER (Microwave
Amplification by Stimulated Emission of Radiation), nghĩa là sự khuếch đại sóng
vô tuyến do bức xạ cưỡng bức. Sau khi chế tạo MA
SER, Townes lại nhận thấy rằng
vùng sóng ánh sáng hồng ngoại và khả kiến có thể giúp cho việc nghiên cứu phổ
học hiệu quả hơn là vùng sóng vô tuyến do MASER phát ra. Vì thế, Townes tiếp tục
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của MASER nhằm chế tạo một thiết bị
tương tự, nhưng phát ra các bước sóng ở ngoài vùng hồng ngoại và khả kiến.
Năm 1956, khi còn ở Đại học Columbia, Townes chuyển sang làm cố vấn cho
phòng thí nghiệm Bell. Tại phòng thí nghiệm Bell, ông và Arthur Leonard
Schawlow (em rể của Townes) cũng đã suy nghĩ về khả năng mở rộng nguyên lý
của MASER từ vùng sóng vô tuyến ra vùng các bước sóng ngắn hơn. Họ tiếp tục
hợp tác với
nhau và chính sự hợp tác này đã dẫn đến sự ra đời của LASER vài năm
sau đó.
Schawlow đưa ra ý tưởng đặt ở mỗi đầu của bộ cộng hưởng một tấm gương
để phản xạ ánh sáng qua lại nhằm làm tăng sự bức xạ cưỡng bức. Ông nghĩ rằng có
thể tạo ra ánh sáng khuếch đại chỉ có duy nhất một tần số bằng cách điều chỉnh
hướng của các gương phản xạ nà
y. Schawlow thảo luận với Townes về khả năng

này. Đến mùa thu năm 1957, họ bắt đầu thử nghiệm ý tưởng. Sau 8 tháng làm việc,
năm 1958, hai ông viết bài báo “Các MASER quang học và hồng ngoại” khẳng định
rằng nguyên lý của MASER có thể được mở rộng cho những vùng khác của quang
phổ, và gọi thiết bị đó là LASER.
Năm 1957, Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow đã bắt đầu
một cuộc nghiên cứu về LASER hồng ngoại. Thuật ngữ “L
ASER” đã được giới
thiệu đến công chúng trong báo cáo Gould’s 1959, mang tựa là “The LASER, Light
Amplification by Stimulated Emiss of Radition”.Chính những đóng góp tiên phong
nói trên, hai nhà vật lý Townes và Schawlow đã được xem là cha đẻ của LASER.
Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là
N. Batsov và A. Prokhorov cũng phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như
cùng một dạng nguyên lý. Vì thế vào năm 1964, Townes cùng Prokhosov và Batsov
nhận Giải Nobel Vật lý với công trình “Những nghiên cứu cơ sở tr
ong lĩnh vực điện
tử lượng tử đưa đến việc chế tạo các máy dao động và khuếch đại dựa trên nguyên
lý của MASER và LASER. Năm 1981, Schawlow cũng được nhận Giải Nobel Vật
lý cho công trình “Đóng góp vào sự phát triển của quang phổ học” Thực ra nhà
khoa học Arthur L. Schawlow đã có nhiều công suy nghĩ để biến MASER thành
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
LASER, nhưng chỉ trong phạm vi lý thuyết và tháng 8/1958 ông công bố phần lý
thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại.
Sau đó năm 1960, LASER thực nghiệm đầu tiên đã được tạo bởi Theodore
H.Maiman làm việc tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, bang California. Điều
này đánh bật những nhóm nghiên cứu khác bao gồm cả Townes đại học Colombia.
Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công bố,
Theodore Harold Maiman dành hơn hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở
thành người đầu tiên tìm ra tia LASER. Ngày 16/5/1960 là ngày đáng nhớ, bởi ngà
y

này, Theodore H. Maiman chính thức tạo ra LASER từ thể rắn hồng ngọc.
Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn,
hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được
là 0,694 micromet. Như vậy là giả thuyết mà Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm
đã được chứng minh.

\






Hình 1.1.
2: Máy LASER đầu tiên do M
aiman phát minh năm 1960

Sau đó vài năm, nhà vật lý học người Iran, Ali Javan cùng làm việc với
William R.Bennett và Donald Herriot đã tạo ra LASER hơi đầu tiên sử dụng khí
Heli và Neon. Ali Javan nhận giải thưởng Albert Einstein Award vào năm 1993.
Năm 1974, LASER công cộng đầu tiên được giới thiệu tại các siêu thị. Máy
đọc đĩa LASER được giới thiệu năm 1978, đó là sản phẩm tiêu dùng đầu tiên sử
dụng máy chiếu LASER.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Thông tin về hai nhà khoa học Charles Hard Townes và Arthur
Leonard Schawlow được coi là “cha đẻ” của LASER

Charles Har
d Townes


Sinh
28 tháng 7, 1915
Greenville
South Carolina
Công dân
United States
Quốc tịch
United States
Lĩnh vực
Vật lý
Nơi công tác
Phòng thí nghiệm Bell
Học viện Defense
Analyses
Columbia
MIT
Berkeley
Được biết đến qua
Phát minh ra MASER
Giải thưởng danh dự
Nobel Vật Lý (1964)
Templeton Prize (2005)

H
inh 1.1.3: Charles H. Townes

Nhà vật lý v
à hoạt động trong lĩnh
vực giáo dục người Mĩ. Townes được biết
đến qua những nghiên cứu của ông về lý
thuyết và ứng dụng của MASER, với
nghiên cứu đó ông đã nhận bằng sáng chế,
và những nghiên cứu khác trong lĩnh vực
điện tử học lượng tử dẫn đến kết nối giữa
các thiết bị MASER và LASER. Ông được
vinh dự trao giải thưởng No
bel với công
trình “Những nghiên cứu cơ sở trong lĩnh
vực điện tử lượng tử dẫn đến việc chế tạo
máy dao động và khuếch đại dựa trên
nguyên lý của MASER - LASER” vào năm
1964.

Bảng 1.1.1:
Tiểu sử nhà khoa học Charles Hard Townes

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Hoạt động khoa học
1935-Tốt nghiệp Cử nhân tại Đại học Furman.
1937-Nhận bằng Thạc sĩ tại Đại học Duke.
1939-Sau khi nhận bằng Tiến sĩ vật lý tại Viện nghiên cứu Công nghệ California. Ông gia nhập
Phòng thí nghiệm Bell tại West Street, New York.
1948-Trở thành Giáo sư Vật lý trợ giảng tại Đại học Columbia.
1949-Gặp và nhận Arthur L. Schawlow làm phụ tá nghiên cứu khi ông này đến Đại học Columbia
1950-Trở thành Giáo sư vật lý chính thức của Đại học Colum
bia và là Giám đốc điều hành của
Phòng thí nghiệm bức xạ Columbia.
1951-Bắt đầu suy nghĩ về ý tưởng về MASER.
1952-Trở thành Chủ tịch Hội Vật lý Columbia.
1953-Cùng với J. P. Gordon và H. J. Zeiger chế tạo MASER đầu tiên tại Đại học Columbia.
1955-Cùng với Schawlow viết cuốn sách “Phổ học vô tuyến”.
1956-Làm cố vấn cho Phòng thí nghiệm Bell trong lĩnh vực MASER rắn.
1957-Tr
ong khi làm cố vấn cho phòng thí nghiệm Bell, ông bắt đầu làm việc với Schawlow về các
nguyên lý của LASER – thiết bị có khả năng phát bức xạ có bước sóng ngắn hơn hàng nghìn lần so
với bước sóng do MASER phát ra.
1958-Cùng với Schawlow tuyên bố trên tạp chí Physical Review số tháng 12 rằng các nguyên lý
của MASER có thể mở rộng cho vùng ánh sáng khả kiến của quang phổ.
1959 đến 1961-Giữ chức Phó Viện trưởng kiêm Giám đốc nghiên cứu của Viện Phân tích quốc
phòng tại Washington, D.C.
1960-Cùng với Schawlow nhận bằng sáng chế cho
phát minh ra LASER. Cùng năm đó, LASER
thực nghiệm đầu tiên cũng được Theodore Maiman tại Công ty máy bay Hughes chế tạo thành
công, sử dụng một thanh Ruby làm hoạt chất và phát ra ánh
sáng đỏ có bước sóng 0,69m.
1964-Cù

ng với A. Prokhorov và N. Basov tại Viện nghiên
cứu Lebedev ở Moscow nhận Giải thưởng Nobel Vật lý
1966-Trở thành Viện sĩ Viện Công nghệ Massachuset.
1967-Trở thành Giáo sư Vật lý tại Đại học California.
1986-Giáo sư Vật lý danh dự của Đại học California.
Hinh 1.1.4: Charles H. Townes
và Arthur Leonard Schawlow
tại Hội thảo CLEO
1998-Cù
ng với Schawlow và các nhà khoa học tại phòng thí
nghiệm Bell cũng như trên khắp thế giới tổ chức kỷ niệm 40
năm sự ra đời của LASER tại Hội thảo CLEO ở San
Francisco.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Arthur Leonard Schawlow
Sinh
5 tháng 5, 1921
Mount Vernon, New York
Mất
28 tháng 4, 1999 (tuổi 77)
Palo Alto, California
Quốc tịch
United States
Lĩnh vực
Vật Lý
Nơi công tác
Phòng thí nghiệm Bell và
Đại học Stanford

Trường học
Đại học Toronto
Được biết đến qua
Nghiên cứu phổ LASER
Giải thưởng danh dự
Nobel Vật Lý (1981)






Hình 1.1.5: Arthur Leonard Schawlow
(5-5-1921 – 28-4-1999)

Nhà Vật Lý người Mỹ. Ông được nhiều
người biết đến qua việc nghiên cứu
LASER, và chính trong lĩnh vực này ông
đã được trao tặng giải Nobel Vật Lý công
trình “Đóng góp vào sự phát triển của
quang phổ học phân tử” năm 1981.
Bàng 1.1.2
Tiểu sử nhà khoa học Arthur Leonard Schawlow

1921-Sinh ra tại Mount Vernon, New York, sau đó cùng gia đình di cư sang Toronto.
1949-Nhận bằng Tiến sĩ Vật lý tại Đại học Toronto, đến Đai học Colum
bia làm việc cùng Townes.
1951-Đến nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bell. Kết hôn với em gái của Charles H. Townes.
1955-Cùng với Townes viết cuốn sách “Phổ học vô tuyến”.
1957-Bắt đầu làm việc với Townes về các nguyên lý của LASER.

1958-Cùng với Townes tuyên bố trên tạp chí Physical Review rằng các nguyên lý của MASER có
thể mở rộng cho vùng ánh sáng khả kiến của phổ.
1960-Cùng với Townes nhận bằng sáng chế cho phát minh ra LASER.
1961-Gia nhập Hội Vật lý tại Đại học Stanford, tập tr
ung nghiên cứu về quang phổ học phân tử.
1966-Trở thành Chủ tịch Hội Vật lý Stanford.
1981-Nhận Giải Nobel Vật lý.
1998-Cùng với Townes và các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell cũng như trên khắp thế giới
tổ chức kỷ niệm 40 năm sự ra đời của LASER tại Hội thảo CLEO ở San Francisco.
1999-Arthur Schawlow qua đời lúc 9 giờ 30 phút, ngày 28 tháng 4, tại Bệnh viện Stanford.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

I.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA LASER

Tất cả các máy tạo LASER có ba yếu tố cơ bản :

Hình 1.2.
1: Các bộ phận cơ bản của một máy LASER

Các bộ phận cấu thành một mày LASER
 Môi trường hoạt tính
 Một nguồn năng lượng bơm vào môi trường hoạt tính để kích thích
electron chuyển lên trạng thái năng lượng cao - bơm quang học.
 Một bộ phận quang học gồm một gương phản xạ toàn phần và một
gương bán mạ-bộ cộng hưởng.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Nguyên lý làm việc của những máy phát LASER có quan hệ mật thiết với tính
chất quang của môi trường đặc biệt là môi trường nghịch đảo nồng độ (với khái
niệm nồng độ trạng thái hay nồng độ mức là số hạt đồng thời tồn tại trong một đơn
vị thể tích của môi trường ở cùng một trạng thái lượng tử hay năng lượng)
Ta đã biết rằng sự phát xạ bởi các hạt (nguyê
n tử, phân tử, ion) trong các
nguồn sáng thông thường là các quá trình xảy ra một cách tự phát và hoàn toàn ngẫu
nhiên. Khi nhận được một năng lượng thích hợp, hạt sẽ từ trạng thái bền nhảy lên
trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn. Sau một thời gian, hạt sẽ rơi về
trạng thái bền và phóng thích ra photon. Đó là sự phát xạ tự phát.

Hình 1.2.2. Sự phát xạ tự phát

Khi nghiên cứu quá trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất, Einstein cho
rằng không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiên mà còn có thể phát xạ do tác
động của bên ngoài, được gọi là sự phát xạ cưỡng bức (phát xạ kích động). Đó
chính là quá trình vật lý cơ bản qui định hoạt động của máy LASER. Nó diễn ra khi
có sự tương tác giữa photon và nguyên tử bị kích thích trong điều kiện có sự phù

hợp chính xác của năng lượng photon với năng lượng kích thích nguyên tử (phâ
n
tử).
Do sự tương tác trên mà nguyên tử bị kích thích trở về trạng thái không bị
kích thích, phát ra một photon mới có cùng một năng lượng, cùng hướng lan truyền
và cùng một hướng phân cực như photon sơ cấp. Như vậy kết quả quá trình là sự có
mặt của hai photon hoàn toàn giống hệt nhau. Trong sự tương tác tiếp theo của các
photon này với nguyên tử bị kích thích tương tự như nguyên tử đầu tiên, có thể xảy
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
ra phản ứng dây chuyền làm tăng số lượng các photon giống nhau “bay” theo đúng
một hướng, điều đó dẫn đến sự xuất hiện một chùm sáng có định hướng hẹp.


Hình 1.2.3: Sự bức xạ cưỡng bức

Như vậy ngoài các nguyên tử bị kích thích phát xạ cưỡng bức, còn đồng thời
diễn ra quá trình phát xạ tự phát của các nguyên tử bị kích thích trở về trạng thái
không bị kích thích và quá trình hấp thụ các photon khi các nguyên tử chuyển từ
trạng thái không bị kích thích sang trạng thái bị kích thích. Ba quá trình này diễn ra
cùng với việc các nguyên tử chuyển sang trạng thái bị kích thích và ngược lại đã
được Einstein giả thiết từ năm 1917.

Môi trường hoạt tính
Để xuất hiện một thác phot
on đồng nhất cần có một môi trường mà các
nguyên tử bị kích thích phải nhiều hơn các nguyên tử không bị kích thích, bởi vì khi
photon tương tác với nguyên tử không bị kích thích có thể diễn ra sự hấp thụ
photon. Môi trường đó được gọi là môi trường có mật độ đảo các mức năng lượng -
Môi trường hoạt tính. Môi trường hoạt tính có thể là chất khí, lỏng, rắn hay chất bán

dẫn hoặc các electron tự do. Trong nhiều trường hợp, môi trường hoạt tính đư
ợc
dùng làm tên gọi của LASER, chẳng hạn như LASER hồng ngọc, LASER He- Ne,
LASER CO
2
…



SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Bơm quang học
Để số hạt có năng lượng cao nhiều hơn số hạt có năng lượng thấp, người ta
phải cung cấp năng lượng cho môi trường, phải “bơm” năng lượng cho nó. Có hai
cách làm “nghịch đảo nồng độ” đó là :
Phương pháp bơm quang học thường được dùng với các chất rắn và lỏng. Là
phương pháp nghịch đảo nồng độ nhờ bức xạ điện từ trường ngoài. Phương phá
p
này được dùng cho những hệ thuộc sơ đồ 3 hoặc 4 mức năng lượng. Đối với hệ sơ
đồ 2 mức thì không thể dùng được phương pháp này, vì hệ 2 mức sẽ có hiện tượng
bão hòa dịch chuyển. Kỹ thuật này đưa đến giải Nobel Vật lý cho nhà bác học Pháp
Kastler năm 1966.


Hình 1.2.4: Phương pháp bơm quang học đối với LASER rắn và lỏng

Phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ trong LASER khí, người ta dùng hiệu
ứng va chạm g
iữa những nguyên tử hoặc
phân tử khí với những điện tử tự do

chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài. Do va chạm với những
điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp (0.01-
1mmHg) sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa. Người ta quan tâm nhiều tới trường hợp
kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hoặc phân tử được nhận đư
ợc
năng lượng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tức là những
mức kích thích. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức
cơ bản sẽ bức xạ năng lượng làm sáng chất khí phóng điện. Trong các LASER khí
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hóa này sẽ tạo nên nghịch đảo nồng
độ và cho bức xạ cảm ứng. Người ta có thể thực hiện phóng điện bằng năng lượng
cao tần hoặc bằng điện áp một chiều. Trong LASER bán dẫn người ta dùng phương
pháp bơm bằng dòng điện để tạo nghịch đảo nồng độ.

Bộ cộng hưởng
Bộ phận này vừa có tác dụng tăng cường cường độ á
nh sáng, vừa có tác dụng
định hướng chùm tia LASER khi nó phóng ra khỏi máy.
Trong trường hợp đơn giản nhất, bộ phận cộng hưởng gồm hai gương phẳng
M
1
và M
2
, đặt ở hai đầu máy. Các photon có phương di chuyển thẳng góc với hai
gương sẽ dội đi, dội lại nhiều lần trong môi trường hoạt tính. Như vậy bộ phận cộng
hưởng đóng vai trò là một cái bẫy ánh sáng. Các photon không di
chuyển theo
phương thẳng góc với hai gương thì sau một hồi di chuyển, chúng bị lọt ra ngoài
máy. Ngoài ra trong cách cấu tạo máy LASER , có thể một phần năng lượng sẽ bị

mất đi do sự phản chiếu và nhiễu xạ. Chỉ khi vượt qua thềm phát xạ kích động thì
mới có ánh sáng LASER phát ra.

Cơ chế hoạt động
Bình thường, các nguyên tử của khối chất ở trạng thái cơ bản, có năng lượng
thấp nhất.





Hình 1.
2.5 a
Khi LASER hoạt động, nguồn bơm cung cấp năng lượng cho các nguyên tử
của khối chất để đưa chúng lên trạng thái kích thích. Các xung phát ra liên tiếp này
đã bơm năng lượng để biến môi trường thành môi trường hoạt tính. Để LASER có
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
thể hoạt động được thì các nguyên tử phải được kích thích đến trạng thái có năng
lượng gấp 2-3 lần năng lượng của mức cơ bản. Sau một thời gian rất ngắn, các
nguyên tử trở về trạng thái cơ bản và phát ra các photon có năng lượng bằng hiệu
năng lượng giữa mức kích thích và mức cơ bản.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên





Hình 1.2.
5b

Các photon được tạo ra phản xạ trên các gương của buồng cộng hưởng và
đi
qua đi lại hoạt chất nhiều lần. Trong quá trình đó, chúng tiếp tục kích thích các
nguyên tử khác phát ra photon có cùng tần số, cùng hướng và cùng pha với chúng,
làm cho số photon tăng lên nhanh và gấp bội. Khi đã vượt qua thềm phát xạ kích
thích, tia LASER bắn ra ngoài.










Hình 1.2.
5 c
Hình 1.2.5: Cơ chế hoạt động của máy phát LASER.
(a) Nguyên tử ở trạng thái cơ bản. (b) Tạo nghịch đảo nồng độ.
(c) Bức xạ tự ph
át. Bức xạ cưỡng bức. Sự tạo thành tia LASER.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Đặc điểm của LASER

Tùy từng loại môi trường hoạt tính khác nhau có thể tạo thành nhiều loại
LASER khác nhau, chúng vẫn có mang những đặc tính chung sau đây :
 Tính đơn sắc: Các photon phát ra mang cùng một năng lượng
h


, ánh
sáng đơn sắc.
 Tính kết hợp: Các photon phát ra đều đồng pha tạo ra chùm sáng kết
hợp. Vì vậy, LASER có thể gây ra những tác dụng rất mạnh.
 Tính song song: Chùm LASER phát ra song song với trục với một góc
loe rất nhỏ. Chính nhờ đặc tính này mà LASER có tác dụng định
hướng rất tốt và thường dùng trong các dụng cụ định vị.

I.3 LASER SIÊU NGẮN

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng
được mở rộng. Trước những bí ẩn về các quá trình xảy ra cực kỳ nhanh chóng trong
tự nhiên ví như chuyển động của electron quanh hạt nhân, thời gian sống của các
hạt cơ bản, quá trình hóa học, sinh học…(thang thời gian cấp femto giây 10
-15
s),
con người đã nghiên cứu, tìm hiểu nhằm mục đích khám phá những điều chưa biết.
Chế tạo công cụ đo các thời gian ngắn là một yêu cầu quan trọng đầu tiên. Từ khi có
sự ra đời của LASER, người ta đã tạo ra được ánh sáng có độ đơn sắc rất cao. Do
đó, chu kỳ dao động của nó cũng rất ổn định. Từ đó, các xung LASER đã được sử
dụng để đo những khoảng thời gian rất ngắn với độ chính xác ngày càng cao.
Mặt khác, ta biết rằng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng hạn chế việc nghiên cứu
cấu trúc của các vật thể vi m
ô, bởi lẽ ta chỉ quan sát được những vật có kích thước
tương đương với bước sóng ánh sáng. Để quan sát được những vật thể vô cùng nhỏ,
gần đây, người ta sử dụng nhiễu xạ electron siêu nhanh. Trong sự nhiễu xạ này,

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
người ta dùng các xung electron cực ngắn phát ra từ một quang catôt bên ngoài đến

nhiễu xạ trên cấu trúc cần quan sát. Những thiết bị hiện đại nhất trong lĩnh vực này
cho phép tạo ra các xung electron có bề rộng ở cấp pico giây (10
-12
s). Để tiếp tục
giảm bề rộng này, người ta nghĩ đến việc sử dụng các electron tách ra từ chính
nguyên tử dưới tác dụng của LASER chứ không phải dòng electron từ một nguồn
bên ngoài. Độ phân giải thời gian cực nhanh (cấp fs, tức 10
-15
s) và mật độ dòng cực
cao (~ 10
-10
A/cm
2
) của các xung electron được lái bởi LASER mạnh có thể cải thiện
đáng kể tính nhạy cảm của hiện tượng nhiễu xạ electron. Tuy nhiên, khó có thể chế
tạo và duy trì được những xung LASER dài có cường độ mạnh để lái các electron
được. Do đó cần phải rút ngắn chiều dài của xung LASER chỉ còn chứa khoảng một
vài hoặc thậm chí một chu kỳ, đồng thời tăng cường độ của các xung LASER đến
khoảng 10
14
W/cm
2
.
Kể từ khi thiết bị LASER đầu tiên được phát minh bởi Maiman vào năm
1960, sự tiến triển của công nghệ LASER đã đạt được chuyển biến to lớn. Chính từ
những khó khăn và nhu cầu trên, các nhà khoa học đã bắt tay vào công việc nghiên
cứu và cuộc chạy đua rút ngắn xung LASER đã bắt đầu và đạt được những thành
tựu rất khả quan. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra được những
xung LASER siêu ngắn với thời gian của mỗi xung chỉ và
i femto giây (1fs = 10

-15
s).
Cường độ của chùm LASER được tăng lên nhiều lần. Cường độ chùm LASER hiện
tại tạo được lớn hơn rất nhiều 1020W/cm
2
(cường độ ban đầu tạo được), cường độ
mà tại đó hiệu ứng plasma và hiệu ứng tương đối tính quan trọng như nhau. Trong
tương lai gần, cường độ LASER thậm chí có thể đạt được đến cường độ mạnh tới
hạn để xác định chính xác cặp positron-electron. Trong cùng thời gian này, chiều
dài của xung LASER ngắn nhất được giảm hơn 10 lần. Trong khi xung LASER đầu
tiên có chiều dài khoảng 100 ms, một xung LASER ngắn ngày nay có thể tạo được
vượt qua
ngưỡng mode-clocking. Trong năm 1990, Zewail et al đã tạo ra xung
LASER ngắn vào cỡ femto giây, điều này có ý nghĩa rằng việc chụp ảnh nhanh
phản ứng hóa học có thể thực hiện. Nó mở ra một lĩnh vực mới gọi là femto-
chemistry.
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Trong suốt thập niên 1990, các nhà khoa học đã đề ra nhiều kế hoạch để vượt
qua bức tường fs. Một trong những kế hoạch đó là sử dụng phương pháp tổng hợp
Fourier (Fourier synthesis – FS) để tạo ra các xung chỉ dài vài atto giây (viết tắt là _
as) (Hansch 1990, Farkas – Toth 1992, Harris et al 1993). Có 2 cơ chế khả thi để
thực hiện ý tưởng này, đó là sự phát các sóng hài bậc cao (high order harmonics
generation – HHG) và sự tán xạ Raman kích thích từng đợt (cascaded stimulated
Raman scattering – CSRS). Trong luận văn tác giả chỉ đề cập đến cơ chế tương tác
LASER-phân tử phát xạ sóng hài.
Trong những năm gần đây hai nhà nghiên cứu người Canada tiến sĩ Bandrauk
và Corkum đã tạo nên một cuộc cách mạng mới trong khoa học phân tử bằng cách
xây dựng các khái niệm mới trong một lĩnh vực mới có tên gọi là “attosecond
science” (Khoa học thang thời gian atto giây) (10

-18s
). Attosecond Science làm bùng
nổ vật lý và hóa học đến với một ý tưởng đổi mới về việc sử dụng xung LASER
siêu ngắn cường độ cao để chụp hình ảnh phân tử và thậm chí điều khiển phân tử
một cách tối đa.
Xung atto giây mở ra một hướng mới nghiên cứu những lĩnh vực liên quan
thang thời gian siêu ngắn. Một khả năng hứa hẹn những thay đổi cho những hiểu
biết về vật chất. Cả Science và Nature, hai trong số các tờ báo khoa học tên tuổi trên
thế giới đã nêu sự phát triển của xung atto giây là một trong 10 thuận lợi quan trọng
nhất trong tất cả các ngành khoa học vào trong năm 2002.
Sau khi tạo ra được một đoàn xung gồm các xung liên tiếp cách nhau những
khoảng bằng nhau, các nhà vật lý tìm cách tách từ đoàn xung đó một xung đơn lẻ.
Một trong những cách để thực hiện việc này là dùng một cổng phân cực
(polarization gate) dựa vào tính nhạy cảm của HHG đối với tính phân cực của ánh
sáng bơm (Ivanov et al 1995, Platonenko – Strelkov 1999). Ý tưởng này đã được
Tchebakov et al, Kovacev et al thực hiện năm 2003. Đến những năm gần đây, các
xung LASER vượt qua bức tường fs đã được tạo ra: xung 1 fs (Drescher et al 2001),
xung vài trăm as (Hentschel et al 2001), xung ngắn 130 as (Mairesse et al 2003) và
xung 250 as (Kienberger et al 2004).
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên