Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỘC sư PHẠM THÀNH PHÓ HỒ CHÍ
LỜI
CẢM ƠN
MINH
KHOÀ VẬT LÝ
anPoa
Để hoàn thành được khóa học và luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được
sự

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
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 on
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 giúp 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 gian 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

Tp. Hồdẫn:
Chí Minh,
ngàyLê24 tháng
năm
Giảng viên hướng
TSKH
Văn 04
Hoàng
Sinh viên thực hiện: Đặng2009
Hoàng Thủy
Tiên
Đặng Hoàng Thủy Tiên

Khóa học 31 (2005 -2009)
Tháng 04/2009,Thành phố Hồ Chí
Minh
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

LỜI MỞ ĐẦU

hoa học kỹ thuật phát triển, con người ngày càng cần tìm hiểu

K

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.
LASER [1] là loại tia sáng đặc biệt. Dựa trên những đặc tính của LASER:
các
photon phát ra mang cùng một năng lượng hự , ánh sáng đơn sắc; các photon
này
đều đồng pha tạo ra chùm ánh sáng kết hợp, giúp cho LASER có thể gây ra
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 ‘THÁT 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 tác
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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

giả


Luận văn tôt 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 minh 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 quân 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 co 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 thuật 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
huớng phát triển mới -LASER siêu ngắn. Quá trình rút ngắn chiều dài xung
LASER
đuợc tác giả trình bày theo tiến trình thời gian. Kể từ khi thiết bị LASER đầu
tiên
đuợc 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
femtochemistry (hóa học thang thời gian femto giây 10~15s). 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 1.4.3 Cơ chế tương tác giữa LASER 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 kích
thích. Khi trường LASER mạnh so với trường Coulomb (cường độ LASER
khoảng
1014w/cm2) 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. Neu 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
LASER 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 tưong tác LASER-phân tử trên máy tính. Trong luận văn, tác giả đã sử
dụng
Source code do nhóm nghiên cứu của TSKH 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 đồng 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 họp.
Phân 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 chính 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
mong 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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Muc I

LƯỢC SỬ LASER và
Cơ CHÉ 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 nồ lực nhằm rút ngắn độ dài xung LASER của

I.l 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 Ampliýỉcation hy
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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 Caliíòmia. Tuy nhiên, hai nhà vật lý
Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow được coi là “cha đẻ” của
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 nhiên mà
còn có thể phát xạ do tác động của bên ngoài. Ông đề

Huth 1.1.1
ỉheoàore Haroỉd
Maiman

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 minh 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 Townes nghiên cứu về
khả
năng sử dụng bức xạ cưỡng bức cho phổ học phân 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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của MASER nhằm chế tạo một thiết bị
tuơng tự, nhung phát ra các buớc 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 buớc sóng ngắn hơn. Họ tiếp
tục
họp tác với nhau và chính sụ họp tác này đã dẫn đến sự ra đời của LASER vài
năm
sau đó.
Schawlow đua ra ý tuởng đặt ở mỗi đầu của bộ cộng huởng một tấm
guơng
để phản xạ ánh sáng qua lại nhằm làm tăng sự bức xạ cuông bức. Ông nghĩ rằng
có
thể tạo ra ánh sáng khuếch đại chỉ có duy nhất một tần số bằng cách điều chỉnh
huớng của các guơng phản xạ này. Schawlow thảo luận với Townes về khả năng
này. Đen mùa thu năm 1957, họ bắt đầu thử nghiệm ý tuởng. 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 đuợc 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 “LASER” đã đuợc giới

thiệu đến công chúng trong báo cáo Gould’s 1959, mang tựa là “The LASER,
Light
AmpliTication by Stimulated Emiss of Radition”. Chính những đóng góp tiên
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Charles Hard Townes
Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

28 tháng 7, 1915
Greenville
LASER, nhưng chỉ
trong tin
phạm
vi lýnhà
thuyết
tháng
8/1958Hard
ông Townes
công bốvàphần
lý
Thông
về hai
khoavàhọc
Charles
Arthur
thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại.
Sinh

Leonard Schawlow được coi là “cha đẻ” của LASER
Sau đó
năm 1960, LASER thực nghiệm đầu tiên đã được tạo bởi
South
Carolina
Công dân
Quốc tịch
Lĩnh vực

Theodore
United States
United States
H.Maiman làm việc tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, bang Califomia.
Vật lý
Điều
này Phòng
đánh thí
bậtnghiệm
những nhóm nghiên cứu khác bao gồm cả Townes đại học

Colombia.Bell
Học
viện
Defensevà nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công
vào
lý thuyết
Noi công tác Dựa
Analyses
bố,
Columbia

Theodore Harold Maiman dành hơn hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và
MIT
trở
Berkeley
Được biết đến
thành Phát
ngườiminh
đầu ra
tiên tìm ra tia LASER. Ngày 16/5/1960 là ngày đáng nhớ, bởi
MASER
ngày Nobel Vật Lý
Giải thưởng
(1964)
danh
quadự
Templeton Prize
(2005)

Hình 1.1.2: Máy LASER đầu tiên do Maiman 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Arthur Leonard
Schawlow

Sinh
Mất

28

Quốc tịch

tháng
5,nghiệp
1921
Luận
Luận5văn
văn
tôt
tôtnghiệp
Mount Vemon, New
York
tháng 4, 1999 (tuổi 77)
Palo
HoạtAlto,
độngCaliíòmia
khoa học
United States

1.2 Vật Lý
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA
1935-Tốt
nghiệp
LASER Cử nhân tại Đại học Furman.
Phòng thí nghiệm

và máy tạo LASER có ba yếu tố cơ bản :
TấtBell
cả các
1937-Nhận bằng Thạc sĩ tại Đại học Duke.
Đạihọc
họcStaníòrd
Toronto
Đại

Lĩnh vực

Noi công tác

Trường học

ợc biết đến qua

thưởng danh dự

í/V
( 0

GVHD:
GVHD:TSKH
TSKHLê
LêVăn
VănHoàng
Hoàng

Nghiên cứu phổ

Hình 1.1.5:
Arthur Leonard Scha\vlow
LASER
1939-Sau
Nobelkhi
Vậtnhận
Lý bằng Tiến sĩ vật lý tại Viện nghiên cứu Công nghệ
(1981)
Caliíòmia.
Ông
gia
nhập
(5-5-1921
-28-4-1999)
Phòng thí nghiệm Bell tại West Street,
Newbơm
York.
Nguồn
năng lượng

Nhà1948Vật Lý người
Mỹ. Giáo
Ông được
Trở thành
sư Vật lý trợ giảng tại Đại học Columbia.
nhiều
người biết đến qua việc nghiên cứu
Môi trường lioạt tinli
Hình
Charles

Toyvnes
1949- và chính
Gặp và
nhậnlĩnh
Arthur
làm1.1.3:
phụ tá
nghiênH.
cứu
khi ông
LASER,
trong
vựcL. Schawlow
/ ông
m
này đến Đại học Columbia
này
Bàng 1.1.2
Tiểu
Arthur
Schawlow
D (sử nhà khoa họcNhà
vật Leonard
lý và hoạt
động
trong
lĩnh
Trở thành Giáo sư vật lý chính
thức của Đại học Columbia và
là

Guong
bán
vực
giáo
dục
người
Mĩ.
Townes
Giám
đốc
điều
hành
của
trong
suôt
được
biết
Phòng thí
bức xạ Columbia.
> nghiệm
1921-Sinh cra tại
Mount Vemon, New York, sau đó cùng gia đình di cư sang
đến qua những nghiên cứu của ông
Toronto.
về
lý
11
1951Bắt đầu suy nghĩ về ý tưởng về
MASER.
thuyết và ứng dụng của MASER,

với
1949-NhậnHình
bằng 1.2.1:
Tiến sĩCác
Vậtbộ
lý phận
tại Đại
học Columbia làm
cơhọc
bảnToronto,
của mộtđến
máyĐai
LASER
nghiên
cứu
đó
ông
đã nhận
bằng
việc1952cùng
Townes.
Trở thành Chủ tịch Hội
Vật lý Columbia.
sángBell. Ket hôn với em gái chế,
1951-Đen nghiên cứu tại phòng thí nghiệm
của
Các bộ phận cấu thành một mày LASER
và
những
nghiên

cứu
khác
trong
Charles
H.
Townes.
•
Môi
truờng
hoạt
tính
lĩnh
vực
1953vớiviết
J. p.cuốn
Gordon
H. học
J. Zeiger
chế tạo MASER đầu tiên
1955-Cùng
vớiCùng
Townes
sách và
“Phổ
vô tuyến”.
học lượng
tử để
dẫnkích
đếnthích
kết

năng luợng bơm vàođiện
môitửtrường
hoạt tính
tại• ĐạiMột
họcnguồn
Columbia.
1950-

Cuông
plứui
xạ áiìli
sõng
Bộ cộng hương

electron
chuyển
lên trạng thái năng lượng cao - bơm quang học.
Bảng
1.1.1:
Bắt đầu
làm việc với Townes về các nguyên lý của LASER.
Tiểu sử
khoa
học Charles
• nhà
Một
bộ với
phận
quang học gồm một gương phản xạ toàn phần và một
1955Cùng

Hard
TownesSchawlow viết cuốn sách “Phổ học vô tuyến
gương bán mạ-bộ cộng hưởng.
1957-

SVTH:
SVTH:Đặng
ĐặngHoàng
HoàngThủy
ThủyTiên
Tiên


Luận văn tôt 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 (nguyên 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
Bơm năng
lượng
Mức

kích
thích »» v» »
Mức cơ bản 1 ♦

họp, hạt sẽ từ trạng thái bền nhảy
Bơm năng
lượng
Mứ
Mức
c
kích
thích
*------*------* kích
I -wv-

♦ ♦ ♦ Mức cơbẫn

■•—•-•—•—•-Múc cơ bán

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 nhiẽn 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
họp chính xác của năng lượng photon với năng lượng kích thích nguyên tử
(phân
tử).
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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.
Bơm năng lượng
IW|ịUị|Uịi M.
Mức kích thích
*#* »»
kích
kích thích
thích
■MAr*
*** *** ** M”
Bơm năng hrọng

Múc cơ bản

Mức cơbẫn
Nghịch đảo nống độ

Mức cơ bân

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
Môi trường hoạt tính
Đẻ xuất hiện một thác photon 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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Bơm quang học
Để số hạt có năng lượng cao nhiều hon 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
pháp
Bơm năng lượng
ậ Ệị ỆỆậ ậậ
'' íK
c
h
t

Bơm
lượng
II

Hệ 2 mức

năng
—j
-Mức 3
-Ệ—

Bơm năng lượng
» 7 ,»Mức<
- Ẹ--------ề—-----É—
Mức 3

- -Mức cơbẵn
Hệ 3 mức

^5

^

- -Mức cơ bân
Hệ 4 mức

Phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ trong LASER khí, người ta dùng
hiệu
ứng va chạm giữa 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
(0.01lmmHg) 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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 ánh sáng, vừa có tác
dụng
định hướng chùm tia LASER khi nó phóng ra khỏi máy.
Trong trường họp đon giản nhất, bộ phận cộng hưởng gồm hai gương
phẳng
Mj và M2, 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
Gương
Gươ
phản
ng
xạ toàn
bám
Chú thích
Trạng thái cơ bản

Trạng thái cơ bản
Hình 1.2.5 a

Khi LASER hoạt động, nguồn bơm cung cấp năng lượng cho các nguyên

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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.
Bcrm năng lượng
Trạng thái kích
thích 1
•

Tạo nghịch đảo nồng độ

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

• Bức xạ tự phát

u Laser
Các photon phản xạ hên các gưong tạo thành

Hình 1.2.5 c

Hình 1.2.5: Cơ chế hoạt động của máy phát LASER.
SVTII: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 hv ,
ánh
sáng đơn sắc.

•

Tính kết hợp: Các photon phát ra đều đồng pha tạo ra chùm sáng
kết
họp. 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

•

LASER
NGẮN

SIÊU

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
10~15s),
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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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 (10'12s). 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 10~15s) và mật độ
dòng

cực

cao (~ 10"10A/cm2) 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 1014 w/cm2.
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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt 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
họp
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 nẽn 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
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Như vậy, cuộc chạy đua rút ngắn độ dài xung LASER bắt đầu từ những
buổi
đầu của kỹ thuật LASER đến nay đã làm giảm độ dài các xung LASER xuống
đến
Ims
IMS
U)
5
QIns
o
11s
1960 1970 »980 1990 2000
Year

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.
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 cho
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. Một ứng dụng khác của LASER siêu ngắn là giúp
nghiên
cứu thông tin cấu trúc của nguyên tử (phân tử). Ở luận văn này tác giả khảo sát
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

1.3

Cơ CHẾ PHÁT XẠ SÓNG HÀI

1.4.1

Quang học phi tuyến

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Quang học khảo sát với các nguồn sáng thông thuờng (không phải nguồn
LASER) được gọi là quang học tuyến tính. Các nguồn sáng thông thường này
cho
ta các chùm bức xạ với cường độ điện trường tương đối yếu (khoảng 103 v/cm )
so
với cường độ điện trường bên trong nguyên tử (từ 107 v/cm đến 109 v/cm). Khi
chùm tia bức xạ này truyền qua một môi trường thì sẽ tạo ra véc tơ phân cực

điện

p

là một hàm tuyến tính theo điện trường E của bức xạ truyền qua.
Trong quang học tuyến tính, ta thấy tính chất quang học của môi trường
tùy
thuộc vào tần số của bức xạ truyền qua và không tùy thuộc vào cường độ điện
trường của bức xạ này.
Sau sự ra đời của bức xạ LASER, với các chùm tia LASER có cường độ
điện
trường khá mạnh (từ 105 v/cm tới 108 v/cm), xấp xỉ với cường độ điện trường
bên
trong nguyên tử. Người ta thấy các tính chất quang học của môi trường không

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

1.4.2 Sự tương tác phi tuyến giữa trường LASER vói nguyên tử và phát

xạ sóng hài

Cơ chế tương tác LASER với nguyên tử phụ thuộc vào cường độ của nó.
❖ Trường LASER yếu hơn nhiều so vói trường tĩnh điện Coulomb của
nguyên tử thì trường LASER chỉ có tác dụng khuấy nhiễu nhẹ trạng thái lượng tử
của nguyên tử. Các mức năng lượng của nguyên tử chỉ bị dịch chuyển nhẹ với

độ
dịch chuyển tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường của LASER (E2a) gọi
là sự
dịch chuyển Stark (ac Stark shift). Lúc này hiệu ứng phi tuyến có thể xét như nhiễu
loạn. Do đó, vùng này được gọi là vùng nhiễu loạn của quang học phi tuyến.
Tóm lại, vùng quang học phi tuyến nhiễu loạn, các electron không chuyển
từ
trạng thái này sang trạng thái khác mà chỉ dịch chuyển nhẹ xung quanh trạng
thái
ban đầu của nó dưới tác dụng của nhiễu loạn. Trong vùng này thì sự ion hóa
nguyên

#
Electr lonizati
on
on
potenti
b
)
m
c
Ground
State

SVTII: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Hình 1.4.1: Sựion hóa đaphoton
Ở cường độ yếu và trung bình, thế năng hiệu
dụng
gần

giống với thế năng Coulomb không bị nhiễu
loạn
và
electron chỉ có thể được giải phóng bằng


Luận văn tôt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

❖ Trường LASER có cường độ tương đương trường Coulomb sự ion
hóa
xảy ra theo cơ chế xuyên hầm qua hàng rào thế tạo bởi thế Coulomb và thế năng
của trường LASER -ỳ vùng phổ liên tục. Trường LASER tác dụng lên các
electron
ở ngoài cùng thì có một xác suất đáng kể để electron thoát khỏi trạng thái của
nó
bằng cách chui ngầm hoặc vượt rào trước khi điện trường của LASER đổi dấu.
Bó
sóng electron sau đó sẽ dao động trong trường phân cực thẳng của LASER với
biên
độ dao động lớn hơn bán kính Bohr nhiều về độ lớn và động năng trung bình
của
mỗi chu kỳ dao động lớn hơn năng lượng liên kết Wb. Vùng của các quá trình
này
gọi là vùng trường mạnh (strong-íield regime) của quang học phi tuyến. Trong vùng
này thì sự phân cực phi tuyến gây ra bởi sự ion hóa trường quang học chỉ xuất
hiện

Hình 1.4.2: Sự ion hóa xuyên hầm

duói
tác
dung của trường LASER
Khi cường độ trường đủ mạnh. Hàng
rào
Coulomb trở nên hẹp hon, cho phép sự ion
hóa
xuyên
SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

0