Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

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 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 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 femto- chemistry (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 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 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 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) Hinh 1.1.3: Charles H. Townes Nhà vật lý và 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 Nobel 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 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. Hinh 1.1.4: Charles H. Townes và Arthur Leonard Schawlow tại Hội thảo CLEO 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 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 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 nà._.y 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 (0.01- 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 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 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 ánh 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 M1 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 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 phát. 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 10-15s), 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 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 mô, 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 (10-12s). 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 xung LASER siêu ngắn với thời gian của mỗi xung chỉ vài femto giây (1fs = 10-15s). Cường độ của chùm LASER được tăng lên nhiều lần. Cường độ chùm LASER hiện tại tạo được lớn hơn rất nhiều 1020W/cm2 (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 Luận văn tốt 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 mức as, và hiện tại vẫn còn tiếp tục nhằm tạo ra những xung ngắn hơn nữa. Hình 1.3.1: Sự rút ngắn chiều dài xung LASER theo thời gian. 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 về cấu trúc phân tử HCN phụ thuộc vào vị trí của nguyên tử Hydro (H( ,R  )) và mô phỏng quá trình chuyển đổi đồng phân từ HCN sang HNC bằng cách khảo sát mặt phẳng thế năng (Potential Energy Surface – viết tắt PES) theo hai tham số khoảng cách R từ nguyên tử Hydro đến vị trí được chọn làm gốc và  là góc giữa liên kết nguyên tử H với liên kết C-N. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.4 CƠ CHẾ PHÁT XẠ SÓNG HÀI I.4.1 Quang học phi tuyến Quang học khảo sát với các nguồn sáng thông thường (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 những tùy thuộc vào tần số của bức xạ tương tác mà còn tùy thuộc cường độ điện trường của bức xạ này. Đồng thời ghi nhận được nhiều hiệu ứng quang học mới do sự tương tác của các chùm tới LASER với môi trường. Từ đó, hình thành một ngành quang học mới, được gọi là quang học phi tuyến tính. Danh từ này bắt nguồn từ biểu thức phi tuyến giữa véc tơ phân cực điện P và điện trường . E SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.4.2 Sự tương tác phi tuyến giữa trường LASER với 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 với 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 ( 2aE ) 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 tử chỉ có thể diễn ra theo cơ chế đa photon, nghĩa là nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon làm cho năng lượng của nó tăng dần đến khi lớn hơn năng lượng liên kết chuyển sang trạng thái kích thích. Sự ion hóa như vậy gọi là sự ion hóa đa photon (multiphoton ionization). Hình 1.4.1: Sự ion hóa đa photon 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 cách hấp thụ một các tự phát N photon. Đó là sự ion hóa đa photon. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt 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  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 bW . Vùng của các quá trình này gọi là vùng trường mạnh (strong-field 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 khi electron vẫn còn liên kết với ion mẹ của nó. Một khi electron đă được giải phóng tự do thì chuyển động của nó tuân theo các phương trình của cơ học Newton.  Trường hợp trường LASER mạnh: Trường LASER đủ mạnh hơn trường Coulomb làm cho electron liên kết yếu nhất với hạt nhân xuyên qua hàng rào thế tạo bởi thế Coulomb, thế năng của trường LASER electron đi vào vùng phổ liên tục. Quá trình này được gọi là sự ion hóa trường quang học. Hình 1.4.2: Sự ion hóa xuyên hầm duới tác dung của trường LASER Khi cường độ trường đủ mạnh. Hàng rào Coulomb trở nên hẹp hơn, cho phép sự ion hóa xuyên hầm xảy ra và tạo thành một dòng xuyên hầm phụ thuộc (adiabatically) vào sự thay đổi của thế năng tổng hợp. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng  Trường LASER mạnh hơn rất nhiều so với trường tĩnh điện Coulomb: Khi vật chất được đặt vào một trường LASER mạnh thì một loạt các hiện tượng lý thú xảy ra mà trong số đó ta chú ý đến hai hiện tượng: Sự ion hóa vượt rào (above-threshold, above-barrier ionization) : khi đặt trong trường laser mạnh đinh rào thế thấp hơn thế năng electron. Electron vượt rào thế đi vào vùng liên tục. Hình 1.4.3 Sự ion hóa vượt rào Khi cường độ trường rất mạnh, biên độ địên trường đạt đến giá trị đủ để vượt qua hàng rào Coulomb bên dưới mức năng lượng của trạng thái cơ bản, mở đường cho sự ion hóa vượt rào. Vai trò của độ dài xung trong vật lý trường mạnh. Ở đây, ta đề cập đến vai trò của độ dài xung p trong sự tương tác phi tuyến giữa trường LASER mạnh với nguyên tử. Khi một xung LASER được chiếu đến nguyên tử thì cường độ I(t) của xung tăng từ 0 đến cực đại. Do đó mà sự tương tác phi tuyến luôn diễn ra ở vùng nhiễu loạn và có thể chuyển sang vùng trường mạnh ở cường độ lớn hơn. Như vậy, sự tương tác phi tuyến giữa trường LASER với nguyên tử diễn ra như thế nào phụ thuộc vào p. Xung p càng lớn, chứa nhiều chu kỳ, thì sự tương tác xảy ra trong vùng nhiễu loạn với một tỉ lệ lớn. Còn với xung p nhỏ, chứa vài chu kỳ, thì sự tương tác trong vùng nhiễu loạn không đáng kể và sự tương tác trong vùng trường mạnh chiếm ưu thế. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.4.3 Mô hình Lewenstein và phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) Như phía trên đã chỉ ra, khi tương tác với LASER cường độ mạnh thì điện tử bức ra theo cơ chế xuyên hầm và có thể chuyển động tuân theo cơ học cổ điển. Lewenstein đưa ra mô hình ba bước giải thích cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao đối với nguyên tử: HHG phát ra từ nguyên tử được giải thích từ mô hình ba bước - được gọi là mô hình Lewenstein. (i) Bước 1 – Electron xuyên hầm qua rào thế tạo bởi thế ion của nguyên tử và cường độ trường LASER, và xuất hiện trong miền liên tục. (ii) Bước 2 - Electron tự do được gia tốc trong trường của LASER, và có thể trở lại tái va chạm với ion mẹ sau khi trường LASER đảo hướng. (iii) Bước 3 – Một photon năng lượng cao được phát ra nếu như sự tái va chạm với ion mẹ dẫn đến sự tái kết hợp. Hình 1.4.4: Mô hình ba bước Lewenstein SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên HHG thu được từ nguyên tử được nghiên cứu và biết được nhờ vào tính đối xứng qua tâm. Tuy nhiên, phân tử là hệ không đẳng hướng, và sự sắp xếp hỗn độn của phân tử cản trở các nhà nghiên cứu trong việc tìm hiểu chi tiết về đặc trưng vật lý của HHG phát ra từ phân tử. Nhưng gần đây khả năng sắp xếp và định phương phân tử bằng LASER phát triển tạo điều kiện khởi đầu để khám phá HHG từ phân tử, từ những đối xứng khác nhau của chúng. Động năng cực đại cho việc quay lại của electron được dự đoán là K = 3.17Up điều này dẫn đến một định luật nổi tiếng cut off cho năng lượng của photon 3 .1 7I Up p   (1) Trong đó: Ip là thế ion hóa của nguyên tử, và Up là thế truyền động trong trường LASER. Sóng hài bậc cao phát ra từ phân tử cũng có tính chất tương tự như từ nguyên tử. Điều này nghĩa là ý tưởng cơ bản là mô hình ba bước cũng có thể áp dụng cho HHG thu được từ phân tử. Cơ sở cho mô hình tính toán của Lewenstein dựa trên hai giả thiết gần đúng được Keldysh (Strong Field Approximation) đưa ra lần đầu tiên khi tính toán các quá trình ion hóa trường mạnh. (i) Trong vùng phổ liên tục (năng lượng dương), tác dụng của trường Coulomb được bỏ qua để hạt có thể được coi như một hạt tự do. (ii) Phần đóng góp của tất cả các trạng thái liên kết khác ngoài trạng thái cơ bản vào quá trình phát xạ sóng hài là không đáng kể (ảnh hưởng của thế phân tử mẹ lên electron ở đây được bỏ qua). Sử dụng hai giả thuyết trên, Lewenstein đã mô tả quá trình phát xạ sóng hài như sau. Ta đã biết, khi trường LASER được chiếu vào nguyên tử thì nguyên tử sẽ bị ion hóa theo cơ chế đa photon, xuyên hầm, hay vượt rào phụ thuộc vào cường độ Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng LASER tác dụng. Để thu được HHG ta điều chỉnh cường độ LASER sao nguyên tử ion hóa theo cơ chế xuyên hầm. Khi đó một phần hàm sóng của electron ở trạng thái cơ bản  g xuyên hầm sang vùng phổ liên tục trong một phần của chu kỳ quang học của LASER và được coi như electron tự do đúng theo giả thiết thứ nhất. Sau khi được giải phóng tự do, electron chuyển động dưới tác dụng của trường LASER và tuân theo các quy luật của cơ học Newton. Do trường LASER đổi chiều liên tục nên electron dao động với biên độ lớn aw, ban đầu electron bị kéo ra xa ion mẹ và sau đó trở về và va chạm với ion mẹ khi trường LASER đổi chiều. Sự kết hợp của phần hàm sóng trở về va chạm C với phần hàm sóng ở trạng thái cơ bản còn lại của electron sinh ra một lưỡng cực. Lưỡng cực này dao động cùng với sự dao động của electron trong trường ngoài. Chính sự dao động của lưỡng cực này phát ra các bức xạ điều hòa mà ta gọi là các sóng hài bậc cao. Đặc điểm của sóng hài:  Là sóng thứ cấp cấp có tần số gấp nhiều lần tần số của LASER ban đầu.  Là bức xạ gồm các photon năng lượng cao hơn năng lượng kích thích.  HHG chỉ phát ra ở tần số là bội số lẽ của LASER ban đầu.  Cường độ sóng hài do tương tác LASER-phân tử phụ thuộc vào góc định phương. Quy luật mà Cokum đã chỉ ra khi lần đầu phát hiện hiệu ứng phát xạ sóng hài bậc cao. Đó là HHG chỉ phát ra ở tần số là bội số lẽ của LASER ban đầu. Nhìn chung HHG phụ thuộc vào góc định phương, chúng tôi sẽ mô tả sự phụ thuộc đó trong chương tiếp theo và ứng dụng điều đó để nhận dạng đồng phân của HCN.  Sóng hài mang thông tin cấu trúc phân tử Khi xung LASER cỡ femto giây tương tác với phân tử, điện tử HOMO được giải phóng quay lại va chạm với phân tử mẹ. Phát ra tần số gấp nhiều lần LASER chiếu vào xảy ra chính vào giai đoạn va chạm nên nó mang nhiều thông tin cấu trúc của phân tử. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Mục II GAUSSIAN VÀ CẤU TRÚC NĂNG LƯỢNG (MẶT PHẲNG THẾ NĂNG) rong chương này, tác giả sẽ trình bày các khái niệm cơ bản của vật lý phân tử có liên quan và các bước thiết lập mô hình tương tác của LASER và phân tử HCN và đồng phân của nó là HNC. Từ đó ta thấy rằng có thể phân biệt được đồng phân HCN và HNC thông qua việc khảo sát cường độ sóng hài theo góc định phương. Đồng thời, tác giả tìm hiểu quá trình chuyển đổi đồng phân HCN/ HNC thông qua việc vẽ mặt phẳng thế năng của phân tử. Để thực hiện mục đích đề ra, trước tiên tác giả trình bày ngắn gọn đặc điểm của phân tử được chọn nghiên cứu trong luận văn hydrogen cyanide HCN. Tiếp đến tác giả giới thiệu các bước tiến hành thiết lập mô hình tương tác LASER–phân tử trên máy tình, nhằm thu được thông tin câu trúc phân tử, và tính HHG phát ra trong tương tác tương ứng. Cuối cùng dùng chương trình GAUSSIAN để khảo sát thế năng của phân tử thông qua số liệu tính được từ HHG T SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên II.1 NHỮNG KHÁI NIỆM LIÊN QUAN Trước hết ta điểm lại một vài khái niệm cơ bản trong vật lý nguyên tử, phân tử. Ta biết nguyên tử được cấu tạo từ các hạt electron, proton và nơtron. Các proton và nơtron tạo thành hạt nhân nguyên tử, còn các electron thì chuyển động xung quanh hạt nhân. Trong cơ học lượng tử không tồn tại khái niệm quỹ đạo, việc giải phương trình Schrodinger cho nguyên tử cho ta hàm sóng , , ( , , )n l m r   . Bản thân , , ( , , )n l m r   không có ý nghĩa vật lý, mà chỉ có , , ( , ,n l m r )   chính là xác suất tìm thấy electron trong không gian nguyên tử. Hàm sóng , ,n l m mô tả trạng thái của electron trong nguyên tử gọi là orbital nguyên tử (atomic orbital– viết tắc là AO). Cơ học lượng tử không dùng khái niệm quỹ đạo mô tả chuyển động của các electron mà dùng chính các AO này ứng với các mức năng lượng E để mô tả. Khi electron chuyển động xung quanh hạt nhân sẽ tạo ra một vùng không gian mà nó có thể có mặt tại một thời điểm bất kì với xác suất có mặt khác nhau. Khi quan sát mỗi lần electron xuất hiện ở một vị trí nào đó nếu đánh dấu bằng một chấm thì tập hợp các dấu chấm sẽ tạo thành một “đám mây” với mật độ phân bố không đồng đều ở những vùng không gian khác nhau. Sự phân bố mật độ xác suất tìm thấy electron không có giới hạn rõ ràng xác định, ngay cả khi ở những vị trí rất xa hạt nhân vẫn có mặt electron dù xác suất tìm thấy rất thấp. Hình dạng của các AO được biểu diễn qua hình dạng đám mây electron gọi là “vân đạo”. “Vân đạo” là vùng không gian gần hạt nhân trong đó xác suất có mặt của electron lớn hơn 90%. Tùy vào phần góc , ( , )l mY   của hàm sóng quyết định hình dạng khác nhau của AO hay của “vân đạo”. Tương tự như trong nguyên tử, phân tử cũng có các orbital gọi là orbital phân tử (Molecular Orbital). Trong đó, ta quan tâm nhiều đến orbital có chứa điện tử có năng lượng cao nhất (Highest Occupied Molecular Orbital- viết tắt là HOMO) và orbital không chứa điện tử có năng lượng nhỏ nhất (Lowest Unoccupied Molecular Orbital- viết tắt là LUMO). Đây là hai orbital quan trọng nhất của phân tử vì thông thường trong một phản ứng kết hợp giữa hai phân tử, HOMO của phân tử này sẽ kết Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng hợp với LUMO của một phân tử khác. Điều kiện để sự tổ hợp này có thể xảy ra là năng lượng của chúng gần nhau và quan trọng hơn là có cùng tính đối xứng. II.2 HYDROGEN CYANIDE Phân tử Hydrogen cyanide HCN tồn tại trong khí quyển và là một trong những đối tượng nghiên cứu rộng rãi, có cấu trúc phân tử khá đơn giản (cấu trúc thẳng). Trong các đám mậy lạnh và đậm đặc người ta còn nhận thấy sự có mặt đồng phân HNC. Chính những yếu tố trên phân tử HCN phù hợp chọn để khảo sát quá trình đồng phân hóa từ HCN đến HNC cùng các tác nhân của nó. Tổng quan Hydrogen cyanide Công thức phân tử HCN Phân tử gam 27.03 g/mol Biểu hiện Khí hoặc chất lỏng không màu hoặc màu xanh nhạt. Là chất lỏng dễ bay hơi Điểm nóng chảy 25.6°C Điểm sôi -13.4°C Bảng 2.2.1 Tổng quan về HCN Hình 2.2.1 Phân tử HCN và đồng phân HNC Hydrogen cyanide (hydro xyanua_ công thức phân tử là HCN) khi tan vào nước tạo thành axit xyanua, không màu hoặc có màu xanh nhạt, có mùi khó chịu, dễ hóa rắn, dễ bay hơi. Nhiệt độ sôi thấp chỉ ở nhiệt độ phòng 260C. Nó là chất hết sức SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng độc, hàm lượng cho phép trong không khí 0.0003 mg/l. HCN tan được trong nước và trong ête theo bất cứ tỉ lệ nào, là axit rất yếu HCN được dùng trong nhiều quá trình tổng hợp khác nhau bao gồm trong sản xuất nylon, các chất tạo phức, hóa dược, trong các ngành hóa học chuyên môn… Các hoạt động sản xuất thải ra HCN như ngành mạ điện, khai thác kim loại, luyện kim, và các quá trình làm sạch kim loại, sản xuất thuốc trừ sâu và chất diệt nấm mốc. Khi đốt cháy hợp chất polyme chứa Nitơ cũng có thể sản sinh ra HCN. Bên cạnh đó, khí thải xe cộ, khói thuốc lá cũng có chứa HCN. HCN là thành phần nhỏ trong khí quyển và khi có sự tăng nhiệt cao nhiệt độ thì một phần chuyển thành đồng phân HNC. Quá trình chuyển đổi đồng phân này phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong điều kiện nhiệt độ 2000-3000K thì một tỉ lệ không nhỏ là đồng phân HNC. II.3 SÓNG HÀI PHÁT RA DO TƯƠNG TÁC LASER-HCN Hình 2.3.1 Sơ đồ tương tác LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs Trong đó k là vectơ phân cực LASER,  là góc định phương _ góc giữa trục phân tử và véc tơ phân cực của LASER. k SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Thiết lập mô hình tương tác trên máy tính Ta đã biết như giả thiết thứ hai của Keldysh, LASER tương tác chủ yếu với electron ở lớp ngoài cùng (tức HOMO). Vì vậy, thay vì thiết lập quá trình tương tác giữa LASER với phân tử HCN, ta chỉ thiết lập những tính toán đối với HOMO của phân tử HCN. Để thu được sóng hài do HCN tương tác với LASER. Ta thực hiện theo các bước sau: Sử dụng chương trình GAUSSIAN, tính toán các thông tin của phân tử HCN như khoảng cách giữa các nguyên tử, điện tích, các MO và đặc biệt là HOMO… Tất cả các thông tin này sẽ chứa trong file *.out. Bên cạnh đó, GAUSSIAN còn giúp ta có được các số liệu về cấu trúc năng lượng của phân tử dùng để xác định mặt phẳng thế năng của phân tử. Bên cạnh đó, tác giả còn dùng chương trình GAUSSVIEW để mô tả hình ảnh HOMO của phân tử HCN và HNC, và trạng thái chuyển tiếp. Bằng cách thiết lập cấu trúc giả định của phân tử. Sau đó, chạy tính toán trong GAUSSIAN để tìm cấu trúc hợp lý của phân tử. Bằng cách cung cấp một cấu trúc ban đầu bất kỳ, chọn hệ hàm sóng cơ sở, chức năng optimization của Gaussian sẽ cho ta vị trí của tất cả các nguyên tử trong phân tử khi hệ đạt được trạng thái cân bằng (trạng thái có năng lượng nhỏ nhất). Với phân tử HCN, tác giả sử dụng hệ hàm cơ sở 6-31+G(d,p) cho cả hai đồng phân và trạng thái chuyển tiếp. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng HCN Trạng thái chuyển tiếp HN Hình 2.3.2: ._.