Luận văn tốt nghiệp vật lý laser siêu ngắn cơ chế phát xạ sóng hài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  ĐỀ TÀI: GVHD : TSKH LÊ VĂN HOÀNG SVTH : PHẠM THỊ TUYẾT MAI NIÊN KHÓA: 2005-2009 LỜI CẢM ƠN Kiến thức hành trang bước vào đời người Trong suốt năm học trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM, em trang bò cho hành trang với dìu dắt quý thầy cô, người luôn hi sinh nghiệp giáo dục, tương lai hệ chúng em Cùng với hoàn thành luận văn, em xin chân thành cảm ơn đến: _ Thầy Lê Văn Hoàng nhiệt tình hướng dẫn , giúp đỡ , đóng góp ý kiến , hỗ trợ tài liệu tham khảo ủng hộ em ý tưởng , tận tình sửa chữa sai sót giúp em hoàn thành tốt luận văn _ Thầy Nguyễn Ngọc Ty hỗ trợ trình sử dụng phần mềm tin học mới, giúp đỡ , đóng góp ý kiến lời khuyên chân thành cho luận văn em _ Các anh chò khoa Vật Lý bạn sinh viên khóa ủng hộ, động viên hỗ trợ tin học cho luận văn em _ Gia đình , người thân động viên tinh thần giúp em hoàn thành tốt luận văn TP HCM, ngày 27/04/2009 Sinh viên Phạm Thò Tuyết Mai Luận Văn Tốt Nghiệp MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu suất thiết bị Laser thấp - 1% - tia sáng Laser kì diệu ngày thâm nhập sâu vào đời sống người Các ứng dụng Laser dễ dàng tìm thấy đời sống hàng ngày, từ máy đọc đĩa CD, máy qt mã vạch siêu thị, máy in Laser văn phòng, … đến phẫu thuật Laser y khoa ứng dụng thơng tin liên lạc, qn nghiên cứu khoa học[4] Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học – kỹ thuật, kỹ thuật Laser có bước phát triển đáng kể Đặc biệt, năm gần đây, nhà khoa học tạo xung Laser siêu ngắn với thời gian xung vài femto giây (1fs = 10 -15 s)[7] Thành tựu mở đường cho loạt ứng dụng kỳ diệu mà trước chưa đạt Sử dụng xung Laser siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích phát sóng hài bậc cao phân tử, nhà khoa học thu thơng tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử Thực luận văn tốt nghiệp với đề tài “Laser siêu ngắn chế phát xạ sóng hài”, tác giả mong muốn trang bị cho kiến thức Laser[3] chế phát xạ sóng hài, làm sở cho nghiên cứu lĩnh vực Hướng vào mục tiêu đó, luận văn trình bày với ba mảng nội dung sau:  Phần 1: Tổng quan Laser  Phần 2: Laser siêu ngắn chế phát xạ sóng hài  Phần 3: Sóng hài phân tử HCN tương tác với Laser Luận văn trình bày cho bạn đọc có kiến thức vật lý đại cương hiểu Mục tiêu đòi hỏi tác giả phải viết ngơn ngữ phổ Luận Văn Tốt Nghiệp thơng, dễ hiểu, hạn chế dùng cơng thức tốn học chưa thật cần thiết, tăng cường minh họa hình ảnh Với u cầu nội dung hình thức trình bày trên, tác giả thực luận văn với nội dung sau: Phần trình bày kiến thức Laser bao gồm lịch sử phát minh Laser, đặc điểm, cấu tạo ngun tắc hoạt động, loại Laser, ứng dụng Laser[12] Có nhà khoa học nhận định rằng: vòng hai kỷ trở lại đây, phát minh khoa học quan trọng phát minh tình cờ Sự phát minh Laser phát minh Khi hai nhà khoa học Townes Schawlow nghiên cứu chế tạo cơng cụ để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, khơng nghĩ chế tạo thiết bị cách mạng hóa nhiều lĩnh vực đời sống, từ cơng nghệ thơng tin đến y khoa, từ dân đến qn sự, … Để người đọc có nhìn tổng qt trước nghiên cứu chi tiết Laser, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo ngun tắc hoạt động Laser[3], đặc điểm Laser tính định hướng, độ tụ cao, đơn sắc[1],…có minh họa hình ảnh hoạt động Laser ruby, Laser khí He-Ne, Laser bán dẫn,… Về bản, ngun tắc hoạt động Laser đơn giản, nhiên để nghiên cứu chi tiết Laser cần phải có khái niệm dùng cho Laser, mà quan trọng khái niệm xạ cưỡng bức[2] đảo lộn mật độ cư trú Các khái niệm trình bày mục 1.1.4 Tiếp theo, tác giả trình bày chi tiết ba phận Laser, cấu tạo ngun tắc hoạt động chúng Đầu tiên buồng cộng hưởng quang học Đây phận quan trọng Laser, có tác dụng khuếch đại xạ điện từ đến cường độ đủ mạnh để ngồi thành chùm sáng Laser, tạo cho Laser tính chất đặc biệt tính định hướng tính đơn sắc cao Một phận quan trọng khác Laser nguồn lượng xạ để kích thích ngun tử hoạt chất Laser hoạt động, nói cách khác tạo mơi trường hoạt tính cho Laser Với loại Laser có cách tạo mơi trường hoạt Luận Văn Tốt Nghiệp tính riêng Ở tác giả giới thiệu hai phương pháp, phương pháp bơm lượng thường dùng cho Laser rắn phương pháp phóng điện thường dùng Laser khí Cuối cùng, tác giả trình bày mơi trường hoạt tính Laser Thơng thường Laser phân loại theo mơi trường hoạt tính chúng, ví dụ Laser rắn, Laser khí, Laser bán dẫn, … Ngồi cách phân loại khác mà luận văn khơng đề cập đến, cách phân loại dựa theo tác dụng sinh học Laser người Trong cách phân loại này, Laser chia thành loại từ I đến IV tùy theo tác dụng nguy hiểm chúng thể người Cách phân loại thường dùng mơi trường làm việc tiếp xúc với xạ Laser, thơng thường, người ta dùng cách phân loại theo mơi trường hoạt tính Trong mục đề cập đến loại Laser quan trọng sử dụng phổ biến Laser rắn, Laser khí Laser bán dẫn; đồng thời giới thiệu số Laser thơng dụng Laser Nd:YAG, Laser CO2, Laser He-Ne,… Phần phần trình bày hai nội dung luận văn Nội dung phần chủ yếu xoay quanh phát sóng hài bậc cao – HHG, chế tạo xung Laser siêu ngắn[7] Thực ra, có nhiều chế để tạo xung Laser siêu ngắn, khn khổ luận văn tốt nghiệp đại học, tác giả tập trung trình bày chế quan trọng nhất, HHG Chúng tơi trình bày sơ lược lịch sử đời ngun tắc hoạt động Laser, tương tác phi tuyến phân tử với Laser, tức phân tử tương tác khác trường Laser có cường độ khác Có thể nói ngắn gọn tương tác ngun tử - phân tử với Laser[8] sau: Khi trường Laser yếu so với trường tương tác Coloumb ngun tử Laser khuấy nhiễu trạng thái ngun tử ion hố xảy theo chế hấp thụ đa photon để chuyển lên trạng thái kích thích Còn cường độ Laser mạnh trường tương tác 14 Coloumb ngun tử (khoảng 10 W/cm ) ion hóa xảy theo chế xun hầm, tức electron xun hầm qua rào tạo Coloumb ngun tử Laser để sang Luận Văn Tốt Nghiệp trạng thái Đồng thời chúng tơi trình bày rõ ràng q trình phát xạ sóng hài bậc cao dựa mơ hình Lewenstein[7] Mơ hình Lewenstein tóm tắt gồm bước: ion hóa xun hầm tác dụng trường Laser siêu ngắn, electron tự lớp ngồi (HOMO) gia tốc điện trường Laser cuối electron tái va chạm với ion mẹ xạ photon lượng cao Ngun nhân Lewenstein cho HOMO tương tác với Laser electron lớp ngồi liên kết yếu với hạt nhân, chịu tác dụng trường Coloumb yếu electron bên gần hạt nhân, trường Laser dễ tác động lên electron lớp ngồi Chúng tơi sử dụng Source code nhóm nghiên cứu TSKH Lê Văn Hồng viết phần mềm FORTRAN để tính tốn sóng hài Laser tương tác với HOMO phân tử dựa mơ hình Lewenstein Từ chúng tơi sử dụng số liệu thu vẽ phụ thuộc sóng hài bậc khác nhau, luận văn chúng tơi sử dụng phần mềm Origin 7.5 để vẽ số liệu dạng cột Trong phần 3, tác giả tiến hành cho phân tử HCN tương tác với Laser dựa mẫu bước Lewenstien Bằng cách thay đổi góc định hướng[11] phân tử HCN Laser, chúng tơi phát sóng hài thay đổi góc định phương thay đổi Tiếp theo chúng tơi dựa vào tín hiệu sóng hài thu cho Laser tương tác với HCN đồng phân HNC, chúng tơi đến kết luận sử dụng tín hiệu sóng hài để phát đồng phân HCN trạng thái chuyển tiếp chúng Trong tương lai, chúng tơi cố gắng ứng dụng phương pháp cho phân tử phức tạp theo dõi kết thực nghiệm từ nhà khoa học nhằm tiếp thu cách trọn vẹn phương pháp Trong q trình làm luận văn, chúng tơi nâng cao thêm kĩ tìm kiếm tài liệu internet khả đọc tài liệu khoa học tiếng nước ngồi Bên cạnh đó, chúng tơi tiếp xúc thêm chương trình phần mềm GAUSSIAN, GAUSSVIEW, ORIGIN 7.5 … rèn luyện thêm kĩ máy tính Luận Văn Tốt Nghiệp Trong khn khổ luận văn trình bày nét vấn đề Tuy vậy, tác giả mong bạn có nhìn khái qt kiến thức sơ lĩnh vực để nghiên cứu tiếp tương lai Tác giả mong nhận góp ý xây dựng bạn để luận văn hồn thiện Hy vọng luận văn tài liệu hữu ích cho bạn việc học tập nghiên cứu Vật lý Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 Tác giả Luận Văn Tốt Nghiệp Ta xem lại kết tính tốn cách click vào Results  View File Tiếp theo ta tiếp tục dùng kết tính tốn để tìm orbital phân tử HCN Có hai cách tìm orbital phân tử: Cách 1: Vào Edit  MOs (viết tắt từ Molecule Orbital) Cách 2: Click trực tiếp vào biểu tượng cửa sổ: cơng cụ Cả hai cách Luận Văn Tốt Nghiệp GaussView giúp ta hiển thị hình ảnh HOMO cách chọn Trong mục Add Type chọn HOMO chọn Orbital cần tính xong ta click vào biểu tượng , chờ vài giâysẽ thấy hình ảnh HOMO cần vẽ phân tử HCN sau: Như ta khảo sát xong HOMO phân tử HCN Luận Văn Tốt Nghiệp Phụ lục HƯỚNG DẪN FORTRAN Ngun tử cấu tạo từ electron, proton nơtron Các proton nơtron tạo thành hạt nhân ngun tử, electron chuyển động xung quanh hạt nhân Trong học lượng tử khơng tồn khái niệm quỹ đạo, việc giải phương trình Schrodinger cho ngun tử cho ta hàm sóng n ,l ,m ( r, , ) Bản thân n ,l ,m (r, , ) khơng có ý nghĩa vật lý, mà có có ý nghĩa n ,l ,m suất tìm thấy electron khơng gian ngun tử Hàm sóng ( r, , ) xác n ,l ,m mơ tả trạng thái electron ngun tử gọi orbital ngun tử– viết tắc AO (atomic orbital) HOMO, LUMO - tương ứng orbital có chứa điện tử có lượng cao (Highest Occupied Molecular Orbital) orbital khơng chứa điện tử có lượng nhỏ (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) Đây hai orbital quan trọng phân tử thơng thường phản ứng kết hợp hai phân tử, HOMO phân tử kết hợp với LUMO phân tử khác Điều kiện để tổ hợp xảy lượng chúng gần quan trọng có tính đối xứng Thiết lập mơ hình tương tác máy tính: Ta biết giả thiết thứ hai Keldysh, laser tương tác chủ yếu với electron lớp ngồi (tức HOMO) Vì vậy, thay thiết lập q trình tương tác laser với phân tử, ta thiết lập tính tốn HOMO phân tử Để thu dược sóng hài HOMO tương tác với laser Ta thực theo bước sau + Sử dụng GAUSSIAN, tính tốn thơng tin phân tử HCN khoảng cách ngun tử, MO đặc biệt HOMO Tất thơng tin chứa file *.out + Sau thu thơng tin Ta sử dụng get_wf_xie-modifyO2.f Đây source code thiết lật lập trình FORTRAN dùng để thu thơng tin basis set, MO đặc biệt HOMO + Cuối ta sử dụng LewMol_2.2.f, source code viết FORTRAN sử dụng mơ hình Leweinstein để tính tốn HHG phát phân Luận Văn Tốt Nghiệp tử, ngun tử tương tác với laser cường độ mạnh Source Code viết nhóm nghiên cứu ĐH Kansas Hoa kỳ nhóm ĐH Sư Phạm TP HCM Phần sở lý thuyết cho Source Code trình bày phần Cường độ Laser thay đổi tuần hồn theo thời gian, vòng tuần hồn ta + + Hình : gọi xung Trong xung, thời điểm Laser đạt cường độ cực đại gọi cường độ đỉnh Laser đặc trưng yếu tố:  Cường độ đỉnh  Xung  Tần số  Pha Trong Fortran ta chọn Laser có: 14  Cường độ đỉnh: 2.10  Xung: 30 fs  Tần số: có lượng 1,551 eV, bước sóng: =800 nm  Pha: =0 W/cm Sử dụng: Lấy thơng tin từ file *.out: + Phần “AO basis set in the form of general basis input” lưu thành file *.atom + Phần “Molecular Orbital Coefficients” lưu thành file *.molecule Luận Văn Tốt Nghiệp 19 19 Luận Văn Tốt Nghiệp Chú ý: Khi lưu mục save as type ta phải chọn All Files, khơng file ta lưu tồn dạng coe.atom.txt Mở file: dipole.h file quy định giá trị số VD: Pi=3.141592654 Đưa giới hạn để tính tốn, VD: ta tính đến bậc HHG = 30 Luận Văn Tốt Nghiệp Chạy get_wf_xie-modifyO2.f:  Mở file: get_wf_CHN.f Trong ta kiểm tra thơng tin NAB, NSHELL phù hợp với thơng tin file *.molecule (các thơng tin đánh dấu phần trên) Luận Văn Tốt Nghiệp Số thơng tin phân tử (trong VD có 19 thơng tin phân tử 1, có thơng tin phân tử 2, có 19 thơng tin phân tử 3) Số lớp elctron phân tử(trong VD phân tử có lớp, phân tử có lớp, phân tử có lớp) Chú ý nút hình Complie Built Execute Program Luận Văn Tốt Nghiệp Ta nhấn nút sau:  Complie: để chuyển thơng tin sang ngơn ngữ máy  Nếu khơng có lỗi: phía hình có thơng tin sau:  có lỗi, nhờ Nếu có lỗi: máy báo sau có dẫn đến vị trí ta sửa lỗi dễ dàng (trong VD: máy bảo lỗi dòng open1(1,file="coe.MOLECULE")  Built: kiểm tra cấu trúc thơng tin  Execute Program: chạy HOMO File xuất có dạng input.wf Cho Laser tương tác với HOMO: ta sử dụng LewMol_2.2.f, source code viết FORTRAN sử dụng mơ hình Leweinstein để tính tốn HHG phát phân tử, ngun tử tương tác với laser cường độ mạnh File omega-new.in chứa thơng tin laser sử dụng: (có số) Luận Văn Tốt Nghiệp  Số thứ bội số chu kì, sau n chu kì, ta có xung 30fs  Số thứ hai(x 10 ) cường độ đỉnh  Số thứ ba: tần số omega (eV)  Số thứ tư pha (pi)  Số thứ năm ion hóa 14 Mở file Rinfo.inp để kiểm tra xem thơng tin có giống file *.gif Guassian khơng?  NAtom: số ngun tử phân tử (trong ví dụ ta thấy có ngun tử)  Units: đơn vị dùng, đơn vị Bohr ghi số 1, đơn vị Ams ghi số (trong ví dụ ta chọn đơn vị Ams nên ghi số 2)  Dòng tọa độ ngun tử, rút từ file *.gif  Dòng tiếp đại lượng mà LewMol_2.2.f tính, ta tính ghi 1, khơng tính ghi Luận Văn Tốt Nghiệp Mở file Orient.in chứa thơng tin góc hợp vecto phân cực laser trục phân tử Chạy LewMol_2.2.f (làm bước tương tự chạy file: get_wf_CHN.f cho kết file hhg.dat, file kết có cột: cột bậc HHG, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log 10 dipole theo phương song song Ta thấy bậc HHG lẻ, khó sử dụng, ta sử dụng hhg-average-newH.f để tính gần bậc HHG Chạy file: hhg-average-newH.f tương tự chạy file: get_wf_CHN.f, cho kết file hhg-power.dat Kết có cột tương tự file hhg.dat: cột bậc HHG, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log 10 dipole theo phương song song, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song Luận Văn Tốt Nghiệp KẾT LUẬN Để hồn thành luận văn tơi thực việc sau: Tìm hiểu Laser, Laser siêu ngắn, trình bày cách tương tác phân tử với Laser tượng phát xạ sóng hài dựa mơ hình ba bước Leweinstein Từ thiết lập mơ hình tương tác laser với phân tử Nghiên cứu Sour codes LewMol tiến hành tính tốn cụ thể cho trường hợp xung Laser siêu ngắn 800 nm,2.1014W / cm ,30fs tương tác với phân tử HCN Tìm hiểu phần mềm GAUSSVIEW để vẽ HHG tương ứng so với tần số, góc định phương Từ nghiên cứu kể chúng tơi thu kết quả: Hiểu kiến thức laser, laser siêu ngắn, biết chế tạo laser siêu ngắn theo mơ hình ba bước Leweinstein Đưa ví dụ Laser tương tác với phân tử HCN, sử dụng LewMol tính sóng hài bậc cao cho HCN đồng phân HNC trạng thái chuyển tiếp phân tử tương tác với Laser 800 nm,2.1014W / cm ,30fs , vẽ đồ thị HHG cho đồng phân HCN trạng thái chuyển tiếp, dựa vào đồ thị ta nhận biết đồng phân Hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp cho phân tử phức tạp phân tử DNA Luận Văn Tốt Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Halliday – R Resnick – J Walker, Cơ sở vật lý - tập 6, NXB Giáo dục (2002) [2] Đặng Quang Khang, Cơ học lượng tử, NXB Khoa học kỹ thuật (1996) [3] Trần Tuấn - Nguyễn Hữu Chí, Vật lý laser, NXB ĐH Quốc gia TPHCM [4] Lê Ngun Long – Nguyễn Khắc Mão, Vật lý Cơng nghệ Đời sống, NXB Giáo dục (2003) [5] Van-Hoang Le, Ngoc-Ty Nguyen, C Jin, Anh-Thu Le and C D Lin, Retrieval of interatomic separations of molecules from laser-induced high-order harnomic spectra J Phys B: At Mol Opt Phys 41 (2008) 085603 (8pp) [6] Van-Hoang Le, Anh-Thu Le, Rui-Hua Xie, and C D Lin, Theoretical analysis of dynamic chemical imaging with lasers using high-order harnomic generation Phys Rev A 76 (2007) 013414-13 [7] M Lewenstien, Ph Balcou, M Yu Ivanov, Anne L’Huillier, and P B Corkum, Theory of high-harnomic generation by low-frequency laser fields, (2117-2132), 1993 [8] M Protopapas, C H Keitel and P L Knigh, Atomic physics with super-high intensity lasers, Phys 60 (1997) 389–486 [9] Peter Hannaford, Femtosecond Laser Spectroscopy (33-39) [10] J Itatani, J Levesque, D Zeidler, Hiromichi Niikura, H Pe´pin, J C Kieffer, P B Corkum and D M Villeneuve, Tomographic imaging of molecular orbitals Nature Vol 432 (2004) [11] Anh-Thu Le, R Della Picca, P D Fainstein, D A Telnov, M Lein and C D Lin, Theory of high-order harmonic generation from molecules by intense laser pulse, J Phys B: At Mol Opt Phys 41 (2008) 081002 (6pp) [12] http://thuvienvatly.com