Đang tải... (xem toàn văn)
Kết quả, phổ HHG khi nguyên tử ở trạng thái chồng chập cónăng lượng điểm dừng lớn, hiệu suất phát xạ cao [7,8,11].Dựa vào những ý tưởng trên, Zhai và các cộng sự sử dụng nguyên tử Rydber
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TPHCM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN TẤN PHÚ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON ION HÓA TỪ NGUYÊN TỬ RYDBERG TRONG TRƯỜNG LASER XUNG CỰC NGẮN Khóa luận xã hội học KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ MÃ NGÀNH: 102 TP HỒ CHÍ MINH – 05/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TPHCM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN TẤN PHÚ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON ION HÓA TỪ NGUYÊN TỬ RYDBERG TRONG TRƯỜNG LASER XUNG CỰC NGẮN Khóa luận xã hội học KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ MÃ NGÀNH: 102 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS PHAN THỊ NGỌC LOAN TP HỒ CHÍ MINH – 05/2018 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin gửi lời tri ân chân thành sâu sắc đến TS.Phan Thị Ngọc Loan, giáo viên hướng dẫn khóa luận tốt nghiệp tơi Khơng ln theo sát, hướng dẫn tận tình mà cịn ln động viên tinh thần đưa lời khuyên kịp thời, giúp tơi vượt qua khó khăn suốt thời gian thực khóa luận Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cảm ơn thầy Hồng Văn Hưng, người viết chương trình tính tốn phát xạ HHG, cho phép tơi sử dụng chương trình Khóa luận xã hội học góp ý giúp tơi hồn chỉnh khóa luận Tơi gửi lời cảm ơn đến bạn Trần Dương Anh Tài, người cung cấp mẫu template luận văn LATEX giúp khóa luận tơi trình bày cách chun nghiệp Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể thầy anh chị làm việc phòng Vật lý lý thuyết, đặc biệt bạn Phan Anh Luân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập hỗ trợ tơi suốt q trình thực khóa luận Khóa luận có lẽ khơng hồn chỉnh thiếu ý kiến đóng góp chuyên môn thầy cô hội đồng, đặc biệt phản biện thầy Lê Đại Nam Những ý kiến đóng góp thầy giúp tơi hiểu thêm tranh vật lí đề tài Cuối cùng, khơng thể khơng nhắc đến quan tâm, động viên to lớn đến từ gia đình bạn bè, người ln động viên, sát cánh bên tơi lúc khó khăn, giúp tơi hồn thành đề tài Xác nhận giảng viên hướng dẫn Tp Hồ Chí Minh, tháng 05, năm 2018 Sinh viên TS Phan Thị Ngọc Loan Nguyễn Tấn Phú Xác nhận chủ tịch hội đồng Khóa luận xã hội học TS Nguyễn Ngọc Ty Mục lục Trang Danh sách hình vẽ ii Mở đầu 1 Lý thuyết phát xạ sóng điều hịa bậc cao mơ hình ngun tử Rydberg 1.1 Lý thuyết phát xạ sóng điều hịa bậc cao 1.2 Mơ hình ngun tử Rydberg Khóa luận xã hội học Phương pháp nghiên cứu 11 2.1 Mơ hình toán 11 2.2 Cách tiếp cận cổ điển 12 2.3 Cách tiếp cận lượng tử 14 Kết thảo luận 16 3.1 Vị trí điểm dừng phổ HHG nguyên tử Rydberg trạng thái trạng thái kích thích 6p mơ hình học cổ điển 16 3.2 Giả thiết thời điểm ion hóa electron 19 3.3 Phổ HHG nguyên tử Rydberg trạng thái chồng chập 21 3.4 Ảnh hưởng độ dài xung laser lên lượng vị trí điểm dừng HHG 24 Kết luận hướng phát triển đề tài 27 Tài liệu tham khảo 28 i Danh sách hình vẽ Trang Hình 1.1: Phổ đặc trưng thể mối quan hệ cường độ bậc phổ HHG Khoảng cách hai mũi tên miền phẳng, vị trí mũi tên bên phải vị trí điểm dừng Hình 1.2: Mơ hình bước mơ tả phát xạ sóng HHG Hình 1.3: Mơ hình ngun tử Rydberg với electron trạng thái kích thích Hình 2.1: Điện trường laser (đường nét liền) với thông số đề cập mục 2.1 Đường nét đứt mô tả hàm bao trường laser Khóa luận xã hội học Hình 2.2: Quá trình lan truyền khảo sát chiều với tọa độ 12 x0 electron trạng thái ban đầu Hình 3.1: 13 Mật độ phân bố electron theo bán kính trạng thái 1s (nét đứt) trạng thái 6p (nét liền) nguyên tử Rydberg với Zeff = 1.2592 17 Hình 3.2: Vị trí điểm dừng phổ HHG trạng thái 1s (x0 (1s) = a.u) 18 Hình 3.3: Vị trí điểm dừng phổ HHG trạng thái kích thích 6p (x0 (6p) = 45 a.u.) Hình 3.4: Thế tổng cộng nguyên tử Rydberg hai thời điểm (a) t = 0, (b) 0.06T Hình 3.5: 18 19 Xác suất ion hóa theo thời gian trạng thái kích thích 6p sử dụng laser xung 1.84 chu kì, bước sóng 800 nm, cường độ I = × 1014 W/cm2 Hình 3.6: 20 Mối quan hệ động quay thời điểm ion hóa thuộc khoảng [0, 0.2T ] ii 21 Hình 3.7: Mối liên hệ động quay electron với vị trí ban đầu x0 Hình 3.8: 22 Phổ HHG trạng thái 1s, trạng thái kích thích 6p trạng thái chồng chập 1s + 6p, sử dụng laser xung 1.84 chu kì, bước sóng 800 nm, cường độ I = × 1014 W/cm2 Hình 3.9: 23 Mật độ phân bố electron theo bán kính trạng thái 6p (nét liền) trạng thái 1s + 6p (nét đứt) nguyên tử Rydberg với Zeff = 1.2592 24 Hình 3.10: Xác suất ion hóa theo thời gian trạng thái kích thích 6p trạng thái chồng chập 1s + 6p 25 Hình 3.11: Mối quan hệ độ dài xung laser vị trí điểm dừng phổ HHG trạng thái 1s (x0 = a.u) trạng thái chồng chập 1s + 6p (x0 = 45 a.u) theo hướng tiếp cận (a) Tính tốn cổ điển, (b) Tính tốn TDSE Khóa luận xã hội học iii 26 Mở đầu Một toán cộng đồng khoa học quan tâm đặc biệt tìm hiểu cấu trúc nguyên tử phân tử, từ giúp người hiểu chất nhằm dự đoán bước can thiệp vào trình trung gian phản ứng hóa học chất Một cơng cụ đắc lực cho tốn nguồn laser xung cực ngắn (vào cỡ femto giây), cường độ cao Khi cho nguồn laser tương tác với vật chất, nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến xuất hiện, có phát xạ sóng điều hịa bậc cao – phát xạ HHG (High Harmonic Generation) [1] Khóa luận xã hội học HHG chùm photon có lượng số nguyên lần lượng laser ban đầu Phổ HHG có nhiều tính chất đặc biệt mang thông tin cấu trúc nguyên tử, phân tử nên HHG sử dụng để trích xuất thơng tin cấu trúc cơng trình chụp ảnh orbital lớp phân tử N2 từ phổ HHG Itatani cộng năm 2004 [2] Đồng thời, phát xạ HHG chế tạo nguồn laser xung atto giây, cho phép nghiên cứu chuyển động cực nhanh chuyển động electron phân tử, nguyên tử; đồng thời mở hướng nghiên cứu có tên “attosecond science” (khoa học thang thời gian atto giây) [3] Để rút ngắn chiều dài laser xung atto giây cần phải nâng cao lượng, vị trí điểm dừng phổ HHG [4] Giá trị dự đốn thơng qua biểu thức ~ω = Ip + 3.17Up mơ hình ba bước bán cổ điển nhóm Lewenstein, với Ip 3.17Up ion hóa nguyên tử động quay cực đại electron [5] Bằng cách sử dụng ion với ion hóa lớn nhiều so với nguyên tử làm đối tượng tương tác với laser, nhiều nhóm nghiên cứu nâng vị trí điểm dừng phổ HHG lên cao, nhóm Gibson với lượng HHG tạo ion Ar lên đến 250eV, tăng gấp đôi so với việc sử dụng khí Ar [6] Một cách khác để tăng lượng HHG sử dụng laser có cường độ lớn để tăng trọng động Up , tức tăng động quay cực đại electron Tuy nhiên, hai cách làm làm giảm đáng kể cường độ HHG Nhằm cải thiện điều này, phương án chuẩn bị trạng thái ban đầu nguyên tử chồng chập trạng thái kích thích đề xuất lần đầu Burnett cộng vào năm 1996 [7, 8] Trạng thái chồng chập tạo nhờ vào chế kích thích cộng hưởng đa photon [9] (multiphoton resonant excition) sử dụng xung laser có bước sóng dài làm xung bơm [10] Kết quả, phổ HHG nguyên tử trạng thái chồng chập có lượng điểm dừng lớn, hiệu suất phát xạ cao [7, 8, 11] Dựa vào ý tưởng trên, Zhai cộng sử dụng nguyên tử Rydberg với trạng thái ban đầu chồng chập trạng thái trạng thái kích thích bậc cao làm đối tượng tương tác với laser công trình [10, 12] nhằm nâng cao đồng thời lượng cường độ HHG Kết cho thấy vị trí điểm dừng cường độ HHG tăng đáng kể so với việc sử dụng trạng thái Khóa luận xã hội học ngun tử Cơng trình [12] giải thích cụ thể kết thơng qua việc giải số phương trình TDSE đề xuất mơ hình cổ điển cho gia tăng vị trí điểm dừng phổ HHG liên quan chặt chẽ đến vị trí ban đầu electron thời điểm ion hóa Tuy nhiên, ảnh hưởng thời điểm ion hóa, yếu tố theo đánh giá chúng tơi quan trọng, lên vị trí điểm dừng phổ HHG lại khơng trình bày cụ thể Bên cạnh đó, [12], tác giả lượng photon tương ứng điểm dừng phụ thuộc vào độ dài xung laser tương tác Tuy nhiên, điều chưa giải thích cụ thể [12] Do đó, luận văn này, chúng tơi thực đề tài "Nghiên cứu chuyển động electron ion hóa từ nguyên tử Rydberg trường laser xung cực ngắn" với mục tiêu đưa lời giải thích chi tiết mơ hình cổ điển hình thành cơng thức vị trí điểm dừng phổ HHG tạo từ trình tương tác laser xung cực ngắn với nguyên tử Rydberg trạng thái chồng chập Nghiên cứu sở cho nghiên cứu HHG tạo nguyên tử Rydberg nỗ lực tạo nguồn xung laser atto giây cường độ cao Với mục tiêu trên, nội dung cần giải bao gồm: • Đưa cơng thức vị trí điểm dừng phổ HHG nguyên tử Rydberg N e chuẩn bị trạng thái trạng thái kích thích mơ hình cổ điển; • Hệ thống chế phát xạ HHG trạng thái chồng chập; • Khảo sát ảnh hưởng độ dài xung laser lên lượng vị trí điểm dừng phổ HHG Cấu trúc luận văn gồm ba chương Mơ hình ba bước bán cổ điển giải thích tranh vật lí hiệu ứng phát xạ HHG tổng quan phương án nâng cao lượng cường độ HHG trình bày phần đầu chương Nguyên tử Rydberg, đối tượng nghiên cứu luận văn, giới thiệu chi tiết phần lại chương Chương trình bày mơ hình tốn với thơng số cụ thể phương pháp tính phương trình chuyển động động quay cực đại electron bị ion hóa từ nguyên tử Rydberg học cổ điển Phương pháp tính phổ HHG mật độ phân bố trạng thái theo bán kính học lượng tử đề cập phần cuối chương Ở chương 3, kết Khóa luận xã hội học HHG nguyên tử Rydberg trạng thái kích thích mơ hình cổ điển luận văn trình bày vào thảo luận Phần đầu chương, vị trí điểm dừng phổ 6p trình bày Giả thiết thời điểm ion hóa đưa nhằm giải thích cơng thức lượng vị trí điểm dừng phổ HHG trạng thái kích thích 6p chồng chập, từ hệ thống chế phát xạ HHG trạng thái chồng chập Cuối chương trình bày ảnh hưởng độ dài xung laser tương tác lên lượng phổ HHG hai trạng thái chồng chập Kết thúc luận văn phần kết luận hướng phát triển đề tài