Khóa luận tốt nghiệp vật lý 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 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 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

K

thuậtchóng
phát triển,
cầnchuyển
tìm hiểu động
nhữngcủa electron
quáquanh
trình xảy
rahoa

cựchọc
kỳ kỹnhanh
trongcon
tự người
nhiên,ngày
ví dụcàng
như
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 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 thuyết 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 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 [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 “PHÁT 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 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 được 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 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
hoạt động của LASER khá đơn giản, nhưng để nghiên 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 nguyên 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
LASER 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 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
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 femtochemistry (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 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.
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 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
14

2

10 W/cm ) 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
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
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

2

W/cm , 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 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 hợp.
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 về
việc dùng LASER siêu ngắn kích thích và kiểm soát quá trình đồng phân hóa HCNHNC 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 femto 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 trong
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 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 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 nhiên 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 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
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 MASER, 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 này. 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 “LASER” 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 trong 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 ngày
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 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
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 Hard Townes

28 tháng 7, 1915
Greenville

Sinh

South Carolina
Công dân

United States

Quốc tịch

United States

Lĩnh vực

Vật lý

Nơi công tác

Hinh 1.1.3: Charles H. Townes

Nhà vật lý và hoạt động trong lĩnh
vực giáo dục người Mĩ. Townes được biết

Phòng thí nghiệm Bell

đến qua những nghiên cứu của ông về lý

Học viện Defense

thuyết và ứng dụng của MASER, với

Analyses

nghiên cứu đó ông đã nhận bằng sáng chế,

Columbia

và những nghiên cứu khác trong lĩnh vực

MIT

điện tử học lượng tử dẫn đến kết nối giữa

Berkeley

các thiết bị MASER và LASER. Ông được

Được biết đến qua

Phát minh ra MASER

vinh dự trao giải thưởng Nobel với công

Giải thưởng danh dự

Nobel Vật Lý (1964)

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

Templeton Prize (2005)

nguyên lý của MASER - LASER” vào năm
1964.

Bảng 1.1.1:
Tiểu sử nhà khoa học Charles Hard Townes