Tài liệu Luận văn thạc sĩ 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 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. 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 10-15s). 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 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) (10-18s) [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 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. 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, 2.1014 W/cm2, 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 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 Học viện Defense Analyses Nơi công tác thuyết và ứng dụng của MASER, với nghiên cứu đó ông đã nhận bằng sáng chế, và những nghiên cứu khác trong lĩnh vực Columbia điện tử học lượng tử dẫn đến kết nối giữa MIT các thiết bị MASER và LASER. Ông được Berkeley Được biết đến qua đến qua những nghiên cứu của ông về lý vinh dự trao giải thưởng Nobel với công Phát minh ra MASER trình “Những nghiên cứu cơ sở trong lĩnh vực điện tử lượng tử dẫn đến việc chế tạo Giải thưởng danh dự Nobel Vật Lý (1964) Templeton Prize (2005) 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 Columbia 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-Trong 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-Cùng 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. 1998-Cùng 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 Hinh 1.1.4: Charles H. Townes và Arthur Leonard Schawlow tại Hội thảo CLEO Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Arthur Leonard Schawlow 5 tháng 5, 1921 Sinh Mount Vernon, New York 28 tháng 4, 1999 (tuổi 77) Mất 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 Palo Alto, California Quốc tịch United States Lĩnh vực Vật Lý Phòng thí nghiệm Bell và Nơi công tác Đại học Stanford Trường học Đại học Toronto Được biết đến qua Nghiên cứu phổ LASER Giải thưởng danh dự Nobel Vật Lý (1981) 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 Columbia 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 trung 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 (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 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 (phân 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 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 dẫn hoặc các electron tự do. Trong nhiều trường hợp, môi trường hoạt tính được dùng làm tên gọi của LASER, chẳng hạn như LASER hồng ngọc, LASER He- Ne, LASER CO2 … 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 pháp 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 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 (0.011mmHg) 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 được 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