Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ 

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TSKH Lê Văn Hoàng Sinh viên thực hiện: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Khóa học 31 (2005 -2009) Tháng 04/2009,Thành phố Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được khóa học và luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự

động viên, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ cha mẹ, gia đình, thầy cô, nhà trường,

người thân và bạn bè. Thông qua luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn chân

thành đến tất cả mọi người.

Tôi gửi lời cảm tạ chân thành đến Cha Mẹ tôi, những người đã luôn bên tôi

đem lại nguồn sức mạnh giúp tôi luôn nỗ lực.

Tôi xin đồng gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến thầy Lê Văn Hoàng – giáo

viên hướng dẫn trực tiếp- người thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn, định hướng

cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn chỉnh luận văn và thầy Nguyễn

Ngọc Ty - giảng viên khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm TP. HCM – người thầy luôn

chỉ dẫn và giúp tôi giải quyết những khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn.

Cùng các bạn đồng khóa, xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô thuộc

khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khóa học đã truyền đạt

những kiến thức, dạy chúng tôi những bài học làm người, làm thầy trong tương lai.

Xin cám ơn những bạn bè đã cùng tôi trải qua những khó khăn, hạnh phúc

trong quãng thời gian đại học này.

Sau cùng xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến gia đình, thầy cô, bạn bè.

Xin cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2009

Đặng Hoàng Thủy Tiên

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

LỜI MỞ ĐẦU

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

K

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 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

28 tháng 7, 1915

Greenville

Sinh

South Carolina

United States

Công dân

Hinh 1.1.3: Charles H. Townes

United States

Quốc tịch

Nhà vật lý và hoạt động trong lĩnh

vực giáo dục người Mĩ. Townes được biết

Vật lý

Lĩnh vực

đến qua những nghiên cứu của ông về lý

Phòng thí nghiệm Bell

thuyết và ứng dụng của MASER, với

Học viện Defense

nghiên cứu đó ông đã nhận bằng sáng chế,

Analyses

Nơi công tác

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

vinh dự trao giải thưởng Nobel với công

Phát minh ra MASER

Được biết đến qua

trình “Những nghiên cứu cơ sở trong lĩnh

vực điện tử lượng tử dẫn đến việc chế tạo

Nobel Vật Lý (1964)

máy dao động và khuếch đại dựa trên

Giải thưởng danh dự

Templeton Prize (2005)

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

Hinh 1.1.4: Charles H. Townes và Arthur Leonard Schawlow tại Hội thảo CLEO

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

5 tháng 5, 1921

Sinh

Mount Vernon, New York

28 tháng 4, 1999 (tuổi 77)

Mất

Palo Alto, California

United States

Quốc tịch

Hình 1.1.5: Arthur Leonard Schawlow

Vật Lý

Lĩnh vực

(5-5-1921 – 28-4-1999)

Phòng thí nghiệm Bell và

Nơi công tác

Nhà Vật Lý người Mỹ. Ông được nhiều

Đại học Stanford

người biết đến qua việc nghiên cứu

Đại học Toronto

Trường học

LASER, và chính trong lĩnh vực này ông

Nghiên cứu phổ LASER

Được biết đến qua

đã được trao tặng giải Nobel Vật Lý công

Giải thưởng danh dự Nobel Vật Lý (1981)

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 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 (0.01-

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.

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.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

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

,R )) và mô

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(

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

 . E

 từ biểu thức phi tuyến giữa véc tơ phân cực điện P

và điện trường

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

2

của nguyên tử. Các mức năng lượng của nguyên tử chỉ bị dịch chuyển nhẹ với độ

aE ) gọi là sự

dịch chuyển tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường của LASER (

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

bW . Vùng của các quá trình này

mỗi chu kỳ dao động lớn hơn năng lượng liên kết

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

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.

loạn với một tỉ lệ lớn.

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

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

(1)

3 .1 7

 



IU p

p

điều này dẫn đến một định luật nổi tiếng cut off cho năng lượng của photon

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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

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

C với phần hàm sóng ở trạng thái cơ bản còn lại của electron sinh ra một lưỡng

ion mẹ khi trường LASER đổi chiều. Sự kết hợp của phần hàm sóng trở về va chạm

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

T

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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

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

)

,

 . Bản thân

quanh hạt nhân. Trong cơ học lượng tử không tồn tại khái niệm quỹ đạo, việc giải

n l m r , , ( ,

)

,

)

,



 không có ý nghĩa vật lý, mà chỉ có

 chính là xác suất tìm

n l m r , , ( ,

n l m r , , ( ,

phương trình Schrodinger cho nguyên tử cho ta hàm sóng

, ,n l m mô tả trạng thái của

thấy electron trong không gian nguyên tử. Hàm sóng

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

)

l mY  của hàm sóng quyết định hình dạng khác nhau của AO hay của “vân đạo”.

, ( ,

hạt nhân trong đó xác suất có mặt của electron lớn hơn 90%. Tùy vào phần góc

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

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

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

 Trong đó k

LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs

 k

là vectơ phân cực LASER,  là góc định phương _ góc giữa trục

phân tử và véc tơ phân cực của LASER.

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: HOMO của phân tử HCN-Trạng thái chuyển tiếp-HNC

Đồng thời ta tìm được thông tin cấu trúc của HCN và HNC. Những thông tin

về khoảng cách phân tử đã được tìm hiểu từ các công trình của Nguyễn Đăng Khoa,

Nguyễn Đông Hải. Ở đây vì không phục vụ cho mục đích luận văn, tác giả không

trình bày lại việc khảo sát thông tin khoảng cách giữa các nguyên tử của phân tử

HCN và HNC, mà tham khảo để khảo sát các bước tiếp theo.

Sự nhạy của HHG với khoảng cách liên kết nguyên tử trong phân tử HCN

Khi lần lượt tăng các khoảng cách và đo sóng hài phát ra. Hình 2.3.3 dưới đây

cho kết quả của sóng hài trong các trường hợp thay đổi khoảng cách C-H

Hình 2.3.3: Cường độ HHG theo bậc khi thay đổi khoảng cách C-H

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Theo đó thấy rõ rằng, sự thay đổi khoảng cách C-H trong phân tử HCN không

làm ảnh hưởng đến cường độ sóng hài phát ra.

Ngược lại, sóng hài sẽ thay đổi đáng kể khi khoảng cách C-N thay đổi như

Hình 2.3.4

Hình 2.3.4: Cường độ HHG theo bậc khi thay đổi khoảng cách C-N

Kết luận rằng HHG nhạy với khoảng cách C-N. Vì vậy, khi sử dụng sóng hài

để tách thông tin từ phân tử, ta chỉ có thể thu được khoảng cách C-N.

Làm tương tự cho đồng phân HNC ta có cùng kết quả, HHG chỉ nhạy với sự

H N

thay đổi khoảng cách liên kết N C và hoàn toàn không nhạy với mối liên kết có

H C trong trường hợp đồng phân HCN).

Hyđrô ( trong phân tử HNC và

Điều này ta có thể thấy khi xem HOMO của HNC với sự thay đổi của mối liên kết

có Hyđrô. Khảo sát tương tự cho phân từ C2H2 và C2H4 ta thấy mối liên kết có chứa

H khi thay đổi quanh vị trí cân bằng hoàn toàn không ảnh hưởng đến phổ HHG phát

ra.

Những thông tin này được dùng làm file input chạy chương trình

FORTRAN để đo HHG phát ra khi tương tác.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Đo HHG

Đầu tiên, ta trích xuất thông tin AO, MO thu được từ file out của

GAUSSIAN, cho vào get_wf_xie-modifyO2.f , đây là một source code được thiết

lật trên lập trình FORTRAN dùng để thu được các thông tin về basis set, các MO và

đặc biệt là HOMO.

Cuối cùng ta sử dụng LewMol_2.2.f, đây cũng là một source code viết bằng

FORTRAN sử dụng mô hình Leweinstein để tính toán HHG phát ra do phân tử,

nguyên tử tương tác với LASER cường độ mạnh. Sau đó, ta lấy trung bình kết quả

HHG bằng source code hhg-average-newH.f viết trong chương trình FORTRAN.

Các Source Code này được viết bởi nhóm nghiên cứu ĐH Kansas Hoa kỳ và nhóm

ĐH Sư Phạm TP HCM.

Khi đã thực hiện thành công ta sẽ tìm được đo được HHG phát ra do tương tác

giữa LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs với phân tử HCN, HNC.

Ở đây, tác giả chỉ đưa kết quả HHG thu được trong trường hợp khi phân tử

 k

HCN được định phương trong không gian sao cho góc giữa trục phân tử và véc tơ

phân cực của LASER là 90 độ.

Trong phạm vi luận văn này, tác giả mô tả các bước tiến hành thu kết quả

chứng tỏ HHG chứa thông tin cấu trúc của phân tử đồng thời lấy số liệu vẽ mặt

phẳng thế năng của phân tử. Chính vì vậy, tác giả không đi sâu vào giới thiệu các

phần mềm ứng dụng và cơ sở lý thuyết của các chương trình đó. Phần hướng dẫn

chạy chương trình sẽ được giới thiệu trong phần phụ lục, giúp người xem có thể tìm

hiểu thêm.

Khảo sát cường độ sóng hài theo các góc định phương thay đổi từ 00 đến 1800.

Ta được đồ thị biểu diễn.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

i)HHG theo phương song song

ii) HHG theo phương vuông góc.

Hình 2.3.5: Sự phân bố cường độ LASER theo góc định phương.

Có sự khác nhau về hình dạng đường biểu diễn HHG phát ra đối với phân tử

HCN và HNC trong cả trường hợp theo phương song song và theo phương vuông

góc. Ta có thể kết luận rằng sử dụng dấu hiệu sự phân bố cường độ sóng hài HHG

theo góc định phương cũng có thể phân biệt được đồng phân HCN và HNC.

Tiếp đến ta dùng chương trình GAUSSIAN tính toán theo quy trình SCAN để

khảo sát đồng phân và trạng thái chuyển tiếp của quá trình chuyển đồng phân

HCN/HNC.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

II.4 KHẢO SÁT MẶT PHẲNG THẾ NĂNG

Ta đã biết phân tử đạt cấu trúc cân bằng khi năng lượng đạt giá trị cực tiểu,

cho phép chúng ta xác định được các đồng phân và trạng thái cân bằng chuyển tiếp.

Trên cơ sở đó ở đây tác giả tiến hành khảo sát mặt phẳng thế năng (Potential Energy

Surface_viết tắt PES) để xác định đồng phân, trạng thái chuyển tiếp trong quá trình

chuyển đồng phân HCN/HNC. Mặt phẳng thế năng được dùng với phưong pháp

gần đúng Born-Oppenheimer trong cơ học lượng tử và cơ học thống kê để mô hình

phản ứng hóa học và tương tác qua lại trong hệ thống hóa học và vật lý đơn giản.

Mặt thế năng

Tên gọi “(hyper) surface” có từ việc năng lượng toàn phần của sự sắp xếp

nguyên tử có thể được biểu hiện bằng một đường hay mặt phẳng, với vị trí của

nguyên tử được coi là biến. Tuy nhiên, những mặt thế năng đơn giản (mặt thế mà có

thể tìm được từ tính đối xứng) chỉ cung cấp sự mô tả phù hợp với những hệ hóa học

đơn giản nhất. Để mô tả một phản ứng hóa học thực tế, mặt thế năng phải được hình

thành để lấy thông tin mỗi sự định hướng khả dĩ của phân tử chất phản ứng, sản

phẩm và năng lượng điện tử của sự định hướng đó.

Đôi khi để thu được mặt thế năng, nhiều điểm đặc biệt phải được xác định. Có

lẽ quan trọng nhất là giá trị năng lượng cực tiểu. Giá trị này tương ứng với cấu hình

bền của hạt nhân. Một chức năng thú vị khác là biểu diễn phản ứng, điểm yên ngựa

hoặc các điểm cực đại địa phương dọc theo hệ tọa độ này (tương ứng với trạng thái

chuyển tiếp) và các điểm cực tiểu địa phương dọc theo hệ trục tọa độ này (tương

ứng với bước phản ứng trung gian).

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Cấu trúc mặt thế năng

Vị trí năng lượng thấp nhất tương ứng với cấu trúc cân bằng. 

Điểm yên ngựa bậc nhất tương ứng với trạng thái chuyển tiếp 

Phần đường phản ứng là phần dốc nối giữa trạng thái chuyển 

tiếp và trạng thái bền của nguyên tử.

Hình 2.3.6: Mặt phẳng thế năng

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu mặt thế năng đối với trường hợp cụ thể

là phân tử HCN cùng với đồng phân của nó là HNC. Việc khảo sát mặt phẳng thế

năng được tác giả tiến hành như sau:

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Hình 2.3.7: Các bước tiến hành khảo sát mặt phẳng thế năng

Hydrogen cyanide và quá trình chuyển đổi của nó sang đồng phân hydrogen

isocyanide HNC gần đây là đối tượng khảo sát của nhiều công trình khoa học vì

nhiều đặc điểm thuận lợi để khảo sát: (i) cả hai đồng phân đều là phân tử thẳng cho

nên với mỗi phân tử chúng ta có hai tham số cấu trúc là khoảng cách R1 của liên kết

C-N và khoàng cách R2 của liên kết H với C hoặc N. (ii) Bên cạnh đó, thực nghiệm

chứng tỏ rằng HCN có mặt trong bầu khí quyển, chiếm một thành phần nhỏ và với

sự tăng cao nhiệt độ thì một phần chuyển sang HNC. Các quan sát cho thấy trong

thành phần khí quyển của các sao carbon lạnh có chứa nhiều HCN, trong điều kiện

nhiệt độ 2000-3000K thì một tỉ lệ không nhỏ là đồng phân HNC. Ngoài các nghiên

cứu sự phụ thuộc của quá trình chuyển đồng phân vào nhiệt độ. Đó là những cơ sở

thực nghiệm đáng tin cậy để kiểm chứng mô hình lý thuyết thu được. Số liệu năng

lượng thu được qua tính toán, được hiển thị thông qua hình ảnh mặt thế năng. Hay

nói khác hơn có thể định vị được đồng phân qua các tín hiệu HHG thu được.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Phương pháp gần đúng Born - Oppenheimer

Phương pháp gần đúng Born – Oppenheimer giả sử rằng tách biệt chuyển động điện

tử và hạt nhân trong phân tử. Điều này dẫn đến hàm sóng của phân tử theo vị trí của

 jR

 ir

)

(

)



 



electron và vị trí của hạt nhân

phantu

  ( , r R i j

 ( ). r i

electron

hatnhan

 R j

(1)

Điều này bao hàm những giả thuyết sau:

 Chuyển động của hạt nhân chậm hơn rất nhiều so với chuyển động của electron

vì thế ta có thể coi như hạt nhân được giữ cố định.

 Chuyển động của hạt nhân (chẳng hạn: sự quay, sự dao động) như một thế

nhiễu

Quá trình đồng phân hóa HCN/HNC

H

Trên hình thể hiện mặt thế năng (PES) của phân tử HCN với sự thay đổi vị trí

R và góc H . Mặt thế năng này thu

của hạt nhân , thể hiện qua khoảng cách

được bằng phương pháp DFT với phiếm hàm lai hóa B3LYP và hệ hàm cơ sở dạng

Gauss 6-31+G (d,p). Ta thấy có hai vị trí hố thế năng thể hiện trạng thái cân bằng của HNC và trạng thái meta-stable HCN tại các góc H = 00 và H = 1800. Ngoài ra



ta còn xác định được trạng thái cân bằng không bền (trạng thái chuyển tiếp) khi Hydro ở ị trí H vào khoảng 800 - 900.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Hình 2.3.8a

Hình 2.2.8b

Hình 2.2.8: Biểu diễn mặt phẳng thế năng

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Hình 2.3.9: Sự thay đổi thế năng theo vị trí Hydro

Trên hình biểu diễn mặt thế năng HCN-HNC theo R = RH-CN là khoảng cách

giữa nguyên tử Hydro và khối tâm của phần gồm hai nguyên tử C, N và  là góc

 giữa R

và trục liên kết CN.

Từ thực nghiệm đã chứng tỏ rằng tồn hại hai đồng phân HCN và HNC. Và

trong phương pháp thu thông tin từ phát xạ HHG cũng tìm được hai dạng đồng phân

đó. Ta kết luận có thể sử dụng HHG để trắc kiểm.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Mục III

PHÁT XẠ SÓNG HÀI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ HCN

Chương trước chúng ta đã xác định được hai dạng đồng phân HCN/HNC và

trạng thái chuyển tiếp khi đó phân tử không còn có cấu trúc thẳng nữa. Có nhiều tác

nhân làm phân tử chuyển từ dạng đồng phân này sang dạng đồng phân khác (cung

cấp nhiệt, bức xạ kích thích ...). Tuy nhiên, tựu trung lại đều là thay đổi động năng

của nguyên tử trong phân tử. Trong phân tử HCN, nguyên tử H tương đối linh động,

chuyển động của nó dưới tác động của va chạm phân tử với môi trương bên ngoài là

tương đối rộng và chứ không đơn thuần dao động quanh vị trí cân bằng. Điều này

làm cho các quá trình đồng phân hóa xảy ra. HCN chuyển từ vị trí bền HNC sang vị

trí meta cân bằng HCN. Chương này tác giả sẽ mô phỏng quá trình chuyển đổi đồng

phân HCN/HNC bằng molecular dynamics sử dụng phần mềm Gaussian.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

III.1 ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ

Động lực học phân tử (Molecular Dynamics_ viết tắt là MD) có liên quan đến

chuyển động của phân tử. Chuyển động thuộc về tất cả các quá trình. Đơn giản như

là sự dao động, như sự co giãn liên kết hay sự uốn góc. Các phản ứng hóa học, quá

trình kích thích liên kết hay những quá trình phức tạp khác đều có sự kết hợp với

nhiều loại chuyển động bên trong phân tử (chuyển động nội phân tử) và chuyển

động giữa các phân tử.

Lực truyền động của các quá trình hóa học được mô tả bởi nhiệt động lực học.

Tác nhân làm xuất hiện các quá trình chuyển đổi hóa học được mô tả bởi động năng

của nguyên tử. Theo nhiệt động lực học, trong khi các phân tử chuyển đổi giữa các

trạng thái khả dĩ, mối liên hệ về năng lượng giữa các trạng thái hóa học khác nhau,

được xác định bởi động năng.

Hình dạng chuyển tiếp và sự dao động cục bộ là những đối tượng thông

thường của động lực học phân tử. Động học phân tử thay đổi bậc tự do trong phân

tử, tương tự cho sự giảm năng lượng đến mức năng lượng tối thiểu. Các bước riêng

lẻ trong quá trình chuyển đổi cấu trúc được hiểu đơn thuần là thiết lập sự giảm năng

lượng tối thiểu, hướng từ trên xuống đến giá trị cực tiểu. Mặt khác, các bước trong

động học phân tử, biểu diễn sự thay đổi vị trí nguyên tử theo thời gian đầy ý nghĩa.

Phương trình Newton được dùng trong MD để mô phỏng chuyển động của nguyên

  F = m .a i i

i

tử.

(2)

Tốc độ và hướng của chuyển động (vận tốc) được điều chỉnh bởi những lực

mà các nguyên tử của hệ tác dụng lên nhau như được mô tả bởi phương trình

Newton. Ở đây, các nguyên tử được ấn định vận tốc ban đầu sao cho phù hợp với

động năng toàn phần của hệ lần lượt được qui định bởi nhiệt độ mô phỏng như

mong muốn. Điều này được tiến hành bằng cách cấp nhiệt từ từ vào hệ (nhiệt độ

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

ban đầu 0 K) sau đó năng lượng cấp phát được dùng làm cân bằng giữa các nguyên

tử cấu thành. Hoạt động cơ bản của MD là sự tính toán các lực tác dụng lên mỗi

nguyên tử, từ đó xác định vị trí của nguyên tử trong một chu kỳ xác định (thông thường bậc thời gian là pico giây 10-12 s).

Lực tác dụng lên một nguyên tử có thể tính được từ sự thay đổi năng lượng

giữa vị trí hiện tại của nguyên tử với vị trí dời đi một khoảng cách nhỏ. Điều này có

thể nhận ra khi đạo hàm của năng lượng theo sự thay đổi vị trí của nguyên tử:

-

=

F i

d E d ri

(3)

Các năng lượng này được tính bằng cách dùng phương pháp cổ điển hay cơ

học lượng tử. Năng lượng molecular mechanics bị giới hạn sự áp dụng vì không bao

hàm sự thay đổi đáng kể của cấu trúc điện tử như là sự hình thành hay bẻ gãy liên

kết. Phương pháp quantum mechanics có thể dùng để nghiên cứu các quá trình động

bao gồm cả những thay đổi hóa học.

Khi biết giá trị về lực (vận tốc, hay động năng) và khối lượng nguyên tử có

thể tìm được vị trí của mỗi nguyên tử theo một hệ thời gian vô cùng ngắn femto giây 10-15s. Kết quả là một dãy lưu nhanh về sự thay đổi cấu trúc theo thời gian gọi

là sự chuyển tiếp. Sử dụng phương pháp này để tìm sự chuyển tiếp có thể dễ dàng

-

= m

thấy hơn khi phương trình Newton được biểu thị dạng dưới đây:

i

2 d r i 2 dt

dE dr i

(4)

t (chẳng hạn như 1 femto

Sự chuyển đổi giữa hai trạng thái có thể chia nhỏ thành một chuỗi các trạng

thái phụ tách nhau bởi một khoảng thời gian vô cùng bé

t

t được dùng dự đoán vị trí tại thời điểm t

giây). Vị trí ban đầu tại thời điểm t được dùng để dự đoán vị trí của nguyên tử tại

t

thời điểm t + . Vị trí tại thời điểm t +

+ 2 , và cứ thế.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

III.2 QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA

HCN/HNC

Các nghiên cứu gần đây về việc dùng LASER siêu ngắn kích thích và kiểm

soát quá trình đồng phân hóa HCN-HNC với tỷ lệ trên 92%. Các kết quả đã chứng

tỏ rằng việc chuyển từ trạng thái HCN sang HNC phần đóng góp cơ bản là khi hạt

nhân H nhận đủ năng lượng để vượt qua hàng rào thế năng, hiệu ứng xuyên hầm ở

đây đóng vai trò rất nhỏ. Dựa trên luận điểm ấy, ta 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.

0

00

180

Xét quá trình chuyển từ đồng phân HCN sang đồng phân HNC (cấu trúc

H 

H 

phân tử thẳng ứng với vị trí và ).

Sử dụng Gaussian với với quy trình BOMD để mô phỏng quá trình dịch

chuyển đồng phân từ HCN sang HNC, chọn số bước tối đa là 300. Để mô phỏng

này chúng ta có thể thay đổi các điều kiện năng lượng ban đầu cung cấp cho phân

tử, bao gồm năng lượng cho chuyển động quay thể hiện qua nhiệt độ quay cùng với

động năng cho hạt nhân hydro và góc thể hiện phương của vận tốc ban đầu.

Tiến hành thay đổi nhiệt độ quay từ 300 K đến 30,000 K ta thấy nó không

ảnh hưởng đến quá trình đồng phân hóa từ HCN sang HNC. Tuy nhiên động năng

ban đầu và hướng chuyển động của hạt nhân hydro có liên quan trực tiếp tới khả

năng xảy ra quá trình dịch chuyển từ HCN sang trạng thái meta-stable HNC.

V

C 

060

Xét điểm xuất phát ban đầu là vị trí cân bằng HCN, cung cấp cho nguyên tử một động năng E0 = 3.5 1014 borh/s và

hướng chuyển động .

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Rõ ràng là động năng ban đầu không cho phép hạt nhân H vượt qua hàng rào

060

thế năng, nó chỉ dao động quanh vị trí cân bẳng HCN

xuất phát Thay đổi động năng ban đầu cao hơn và giữ hướng chuyển động như cũ (góc ). Đến giá trị động năng lớn hơn E0 = 6.1014 borh/s, ta thấy có quá

trình chuyển dịch đồng phân. Quỹ đạo chuyển động của hạt nhân hydro vượt qua

0

180

đỉnh yên ngựa và chuyển sang trạng thái meta-stable–đồng phân HNC tại góc

H 

.

HNC

ể Quá trình chuy n đồng phân HCN- HNC 14 E = 6 x10 borh/s

HCN

Hình 3.2.1: Quá trình chuyển đồng phân HCN-HNC

Như vậy ta thấy dù là nguyên nhân gián tiếp nào thì quá trình đồng phân hóa

đều chịu ảnh hưởng của động năng và hướng chuyển động ban đầu của hạt nhân

hydro.

Ta cũng có thể thiết lập mô phỏng quá trình chuyển từ đồng phân HNC sang

HCN.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

KẾT LUẬN

ược các thầy định hướng đề tài và sự hướng dẫn tận tình của trong quá

trình thực hiện luận văn. Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã thực hiện

Đ

các việc sau:

 Đọc các tài liệu liên quan LASER và phát xạ sóng hài, và ứng dụng của cơ chế

phát xạ sóng hài HHG. Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến nguyên tử, phân tử giải

thích các mức năng lượng và cấu hình nguyên tử; cơ chế ion hóa nguyên tử.

 Tìm hiểu phần mềm Gaussian để tính các orbitals của nguyên tử và phân tử (AO

và MO). Ứng dụng cụ thể cho phân tử HCN.

 Trình bày một cách cơ bản về tương tác giữa phân tử với laser và hiện tượng

phát xạ sóng hài dựa trên mô hình ba bước của Lewenstein. Từ đó thiết lập mô

hình tương tác LASER siêu ngắn cường độ mạnh với phân tử. Nghiên cứu

Source code LewMol và tiến hành tính toán cụ thể cho trường hợp xung LASER siêu ngắn 800 nm, 2.104W/cm2, 30fs tương tác với phân tử HCN

 Tìm hiểu phần mềm ORIGIN, GAUSSVIEW để vẽ các HHG tương ứng so với

tần số, góc định phương , orbital phân tử.

 Chạy các chương trình GAUSSIAN để tìm kết quả động năng của nguyên tử

Hydro phù hợp nhất cho sự chuyển đồng phân HCN/HNC.

Từ những nghiên cứu như kể trên ta thu được các kết quả:

 Bằng cách sử dụng chương trình GAUSSIAN ta có thể tìm ra các orbital

trong HCN và đặc biệt là HOMO cho các ứng dụng tính toán HHG.

 Bằng mô hình ba bước Lewenstein và sử dụng LewMol, tính được sóng

hài bậc cao cho HCN và đồng phân HNC cũng như trạng thái chuyển tiếp khi phân tử này tương tác với LASER 800 nm, 2.104W/cm2, 30fs. Đồ

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

thị phụ thuộc của HHG với các góc định phương khác nhau cho thấy có

thể dựa vào dáng điệu của nó mà xác định các đồng phân.

 Mặt thế năng chứng tỏ có thể trắc kiểm số đồng phân của phân tử.

 Mô phỏng quá trình chuyển đổi đồng phân

Hướng nghiên cứu tiếp theo là khả năng ứng dụng phương pháp này cho các phân

tử có cấu trúc phức tạp hơn.

Mặc dù, tác giả đã cố gắng thực hiện luận văn. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian

và một số khó khăn nhất định trong quá trình thực hiện luận văn (các chương trình

tính toán HHG, PES, MD thường chiếm nhiều thời gian và hao tổn tài nguyên máy

tính; tài liệu chủ yếu là các tài liệu ngoại ngữ…) luận văn không thể tránh khỏi

những thiếu sót. Mong quý thầy cô, và các bạn đóng góp chân thành để luận văn sẽ

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 04 năm 2009

Đặng Hoàng Thủy Tiên

hoàn thiện hơn.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

PHỤ LỤC 1

TỪ NGỮ TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN VĂN

above-threshold, abve-barrier ionization

Sự ion hóa vượt rào

ac Stark shift

Sự dịch chuyển Stark

Alignment angle

Góc định phương

Arb.units

au

Đơn vị bất kỳ

Atom

Nguyên tử

Atomic orbital

AO

Attosecond

as

Orbital nguyên tử 10-18 s

Attosecond Science

Khoa học thang thời gian atto

giây

Born-Oppenheimer Molecular Dynamics

BOMD

Động học phân tử với gần đúng

Born-Oppenheimer

Cascaded stimulated Raman scattering

CSRS

Sự tán xạ Raman kích thích từng

đợt

Dipole

Lưỡng cực

Energy Pump

Bơm năng lượng

Excited level

Femtosecond

fs

Mức kích thích 10-15 s

Geometry Optimization

Tối ưu hình học

Ground level, ground state

Mức cơ bản

Hamonics order

Bậc sóng hài

High order Hamonic Generation

HHG

Phát xạ sóng hài bậc cao

Highest Occupied Molecular Orbital

HOMO

Orbital có chứa điện tử có năng

lượng cao nhất

Intensity

Cường độ

Ionization potential

Thế ion hóa

Isomerizing process

Quá trình đồng phân hóa

Isomerisation

Sự đồng phân hóa

Lowest Unoccupied Molecular Orbital

Orbital không chứa điện tử có

năng lượng nhỏ nhất

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Light Amplification by Stimulated Emission of

LASER

Khuyếch đại ánh sáng bằng bức

Radiation

xạ cưỡng bức

Molecule

Phân tử

Molecular Dynamics

MD

Động học phân tử

Molecular Orbital

MO

Orbital phân tử

Microwave Amplification by

MASER

Sự khuyếch đại sóng vô tuyến do

Stimulated Emission of Radiation

bức xạ cưỡng bức

Multiphoton ionization

Sự ion hóa đa photon

Optimization

Sự tối ưu hoá

Parallel

Song song

Perpendicular

Vuông góc

Potential Energy Surface

PES

Mặt thế năng

Polarization gate

Cổng phân cực

Recombine

Sự tái hợp

Resonator

Bộ cộng hưởng

Saddle Point

Điểm yên ngựa

Stimulated emission

Sự phát xạ cưỡng bức

Sự phát xạ tự phát

Spontaneous emission

Strong Field Approximation

SFA

Sự xấp xỉ trường mạnh

Strong field regime

Vùng trường mạnh

Tunnelling ionization

Sự ion hóa xuyên thành

Transition Structure

Cấu trúc chuyển tiếp

Ultra short Pulse LASER

Sự rút ngắn xung LASER

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

PHỤ LỤC 2

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CÁC CHƯƠNG TRÌNH

KHẢO SÁT PHÂN TỬ HCN

GAUSSIAN 03

Là một gói chương trình có khả năng giúp dự đoán nhiều thuộc tính của các

nguyên tử, phân tử, và các hệ phản ứng, bao gồm :

 Năng lượng và cấu trúc phân tử và trạng thái chuyển tiếp.

 Nhánh liên kết và năng lượng tương tác.

 Các orbital phân tử.

 Mômen đa cực.

 Điện tích và thế tĩnh diện nguyên tử.

 Tần số dao động

 Phổ IR và Raman

 Quá trính phản ứng

 Các thuộc tính nhiệt hóa học khác…

Việc chạy chương trình Gaussian gồm các bước sau:

 Cài đặt chương trình vào máy tính.

 Chuẩn bị file input.

 Chạy chương trình

 Kiểm tra và giải thích file output.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Bước 1: Cài đăt chương trình

Hướng dẫn này thừa nhận việc bạn đã cài đặt chương trình trong máy tính của

bạn. Chỉ dẫn cho việc cài đặt đã nằm trong gói chương trình.

Bước 2: Chuẩn bị file input

Một file input hoàn chỉnh có dạng như sau, mỗi phần được tách nhau một

dòng trắng bạn phải chú ý nguyên tắc này. Chúng ta sẽ giải thích một số thông số

Tên file

%chk=HCN.chk %mem=6MW %nproc=1

#opt b3lyp/6-31+g(d,p) geom=connectivity

Phương pháp tính Gaussian job type và method ắng)

(dòng tr

Title Card Required

(dòng tr

0 1

C H 1 B1 N 1 B2 2 A1

ắng) Số I chỉ điện tích (phân tử trung hòa nên điện tích là 0). Số II chỉ Spin (dòng trắng) Nguyên t ử được chọn làm gốc. Đánh số C-1, lần lượt H-2, N-3 B1- khoảng cách của nguyên H tới nguyên tử được đánh số 1(C) B2 tương tự B1, A1: góc ( N_ nguyên tử gốc_nguyên tử thứ 2) (dòng trắng) Giá trị tính được từ Gaussian

B1 1.07000000 B2 1.14660000 A1 180.00000000 1 2 1.0 3 3.0 2 3

cần quan tâm.

Bước 3: Chạy chương trình Gaussian:

Khởi động Gaussian:

 Cách 1: Nhấp chuột vào biểu tượng shortcut của

chương trình

 Cách 2: Start  Programs  Gaussian 03W Gaussian 03W.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Bây giờ cửa sổ chính của chương trình sẽ mở ra:

Trước khi chạy một Gaussian job, bạn phải cung cấp một file input. Vào menu

File để tạo một file input hoặc xác định một file sẵn có. Để tiện trong quá trình làm

việc và lưu trữ, chúng ta sẽ dùng file input thiết lập từ bên ngoài và đưa vào chương

trình. Trước tiên ta cần có một file input như trên đã giới thiệu. Sau đó vào menu

File  chọn Open  mở file input. Xuất hiện cửa sổ sau:

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Ta có thể chỉnh sửa dữ liệu ở vùng cấu trúc phân tử. Chú ý việc chọn nguyên

tử làm gốc sẽ dẫn đến xác định các giá trị đại số của dữ liệu.Sau khi đã hoàn tất file

input, ta tiếp tục chạy chương trình tính toán Gaussian bằng cách nhấp vào nút

RUN. Chương trình sẽ mở ra hộp thoại Enter Job OUTPUT Filename

Ta chọn nơi lưu file và đặt tên cho file Output. Nhấn nút Save. Chương trình

bắt đầu làm việc, đến khi trên Run progress báo Progressing Complete tức là

chương trình đã chạy xong. Mở file .out để xem kết quả tính toán từ chương trình.

Bước 4: Kiểm tra và đọc kết quả file out

Xem kết quả tính toán bởi Gaussian ta mở file .out. File out này là file chuẩn

bị cho việc chạy HHG trong chương trình FORTRAN gồm hai phần liên quan đến

orbital nguyên tử và orbital phân tử.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

GAUSSVIEW

Gaussview là một chương trình được tạo ra nhằm minh họa các kết quả tính

toán từ Gaussian bằng các hình vẽ các thông số tính toán được như điện tích,

khoảng cách giữa các nguyên tử, tần số dao động … Đặc biệt là hình ảnh các orbital

nguyên tử (AO), orbital phân tử (MO). Sau đây chỉ là hướng dẫn một cách sơ lược

cách sử dụng Gaussview để thiết lập nhanh các thông số được tính toán từ

Gaussian.

Trong Gaussian, khi thiết lập một cấu trúc giả định ban đầu cho một phân tử

rất khó khăn do phải tuân thủ các nguyên tắc ghi số liệu giả định của chương trình.

Khi thực hiện việc ghi các số liệu giả định này thường gặp sai phạm, do đó chương

trình sẽ không thể tính toán được hoặc tính không đầy đủ các yêu cầu đưa ra. Khi đó

ta sẽ thấy chương trình sẽ hiện lên thông báo lỗi như sau:

Để khắc phục khó khăn này, ta sẽ thiết lập cấu trúc phân tử giả định trong

Gaussview.

Trong tương tác giữa laser và phân tử thì tương tác giữa laser và orbital có

chứa điện tử có năng lượng cao nhất (Highest Occupied Molecular Orbital _viết tắt

là HOMO) là chủ yếu. Vì thế việc khảo sát HOMO là điều rất quan trọng.

GaussView giúp ta hiển thị hình ảnh của HOMO. Ở đây, tôi sẽ hướng dẫn các bạn

chạy Gassview tìm HOMO của HCN.

Khởi động Gaussview:

Start  All Programs  Gaussview  Gaussview

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Hoặc Cick chuột vào shortcut của chương trình. Giao diện chính của

Gaussview bao gồm nhiều cửa sổ, thêm vào đó nhiều hộp thoại sẽ xuất hiện trong

quá trình làm việc.

Thiết lập cấu trúc giả định HCN

Cách 1: Đối với những cấu trúc phân tử thông thường, chương trình đã thiết

lập sẵn, ta Click vào R- Group Fragment (biểu tượng chữ R) trên thanh Toolbars

vào button hiển thị cửa sổ sau: Sau đó Click

Ta thiết lập cấu trúc giả định của phân tử HCN, chọn cyano, sau đó nhấp vào

màn hình cửa sổ màu tím ta tìm thấy ngay một phân tử HCN giả định.

Cách 2: Tùy vào loại phân tử ta có thể lấy sẵn những mẫu được cung cấp sẵn

từ chương trình. Tuy nhiên trong trường hợp phân tử không có sẵn trong chương

trình ta sẽ có thể thiết lập cấu trúc phân tử theo cách sau.

Nhấp chọn Element Fragment (Biểu tượng chữ C ở góc trái màn hình).

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Xuất hiện hộp thoại Select Element , giúp người dùng thiết lập cấu trúc phân

tử cần khảo sát. Lưu ý khi chọn mỗi thành phần, người dùng phải click vào cửa sổ

màu tím để xác nhận thành phần được chọn, rồi mới chọn sang thành phần khác.

Khi đã thiết lập xong, trên cửa sổ màu tím ta sẽ có cấu trúc giả định của phân

tử HCN. Ta có thể hiển thị trục tọa độ, tên nguyên tố, …bằng cách click chuột phải

vào ở cửa sổ màu tím rồi chọn các hiển thị cần thiết.

Ngoài ra ta còn có thể thay đổi trực tiếp góc liên kết giữa các nguyên tử bằng

cách click vào biểu tượng góc liên kết sẽ thay đổi trong khoảng 00 đến 1800.

Bên cạnh đó chương trình còn cung cấp cho người dùng những phân tử có cấu

trúc phân tử dạng vòng như benzen… cũng được cung cấp cấu trúc giả định bởi

chương trình.

Sau khi thiết lập xong cấu trúc giả định, ta bắt đầu chạy chương trình

Gaussian bằng cách click vào chọn Gaussian:

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Màn hình sẽ hiển thị một cửa sổ giúp ta lựa chọn cách tính toán trong

Gaussian. Trong thanh ta chọn Optimization để chương trình tính toán lại

cấu trúc hợp lý của HCN.

Sau đó chọn thanh để chọn phương pháp tính toán và basic set (bộ

hàm cơ sở). Tùy thuộc vào mục đích tính toán mà ta sử dụng một phương pháp tính

riêng, trong giới hạn luận văn này chỉ giới thiệu cách sử dụng Gaussview vì thế việc

tìm hiểu về phương pháp tính và bộ hàm cơ sở không được giới thiệu tại đây.

Trong trường hợp HCN, tác giả chọn phương pháp tính như sau:

Sau đó chạy chương trình tính toán Gaussian, bằng cách nhấn nút ,

lúc đó chương trình sẽ hỏi ta có save lại các thông số đã nhập vào không, ta chọn

save. Giả sử file save được đặt tên là HCN.gif, sau đó nhấn Ok thì thấy cửa sổ sau:

Chương trình Gaussian sẽ thực hiện tính toán trong vài giây. Khi hoàn tất:

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Sau đó mở file theo đường dẫn sau: C:\G03W\Scartch\tênfile.chk

Khi đó GaussView sẽ xuất hiện thêm một cửa sổ nhỏ (màu tím) là cấu trúc

phân tử sau khi được tính toán từ Gaussian. Lúc này, ta đóng cửa sổ tím ban đầu

chứa cấu trúc giả định của phân tử.

Để xem lại kết quả đã tính toán ta click vào Results  View File.

Tiếp theo ta sẽ tiếp tục dùng kết quả tính toán được để tìm các orbital của

phân tử HCN. Có hai cách tìm orbital phân tử:

Cách 1: Vào Edit  MOs (viết tắt của từ Molecule Orbital)

Cách 2: Click trực tiếp vào biểu tượng trên thanh công cụ. Cả hai cách đề

cùng ra một cửa sổ:

GaussView giúp ta hiển thị hình ảnh của HOMO bằng cách chọn thanh

Trong mục Add Type chọn HOMO, chọn Orbital cần tính xong ta click vào

biểu tượng , chờ một vài giâysẽ thấy hình ảnh HOMO cần vẽ của phân tử HCN sau:

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

FORTRAN

ĐO HHG DO TƯƠNG TÁC LASER-PHÂN TỬ

Ta biết cường độ của LASER thay đổi tuần hoàn theo thời gian, mỗi vòng

tuần hoàn ta gọi là một xung. Trong một xung, tại một thời điểm nào đó LASER đạt

cường độ cực đại gọi là cường độ đỉnh.

Khi dùng xung LASER tương tác ta phải xét đến các yếu tố sau của xung

LASER:

 Cường độ đỉnh

 Độ dài xung

 Tần số

 Pha

Ở đây, ta chọn xung Laser có: Cường độ đỉnh: 2.1014 W/cm2, độ dài xung: 30

 Bước 1:Chạy get_wf_xie-modifyO2.f là một Source Code viết trên chương

fs, tần số:  có năng lượng 1,551 eV, bước sóng: =800 nm, pha: =0

trình FORTRAN do nhóm nghiên cứu TSKH Lê Văn Hoàng viết.

B1 Chuẩn bị File Input:

Để chạy get_wf_xie-modifyO2.f ta cần hai file input: một file chứa thông tin

về orbital nguyên tử (*.atom) và một file chứa thông tin về orbital phân tử

(*.molecule)

Hai file có được từ file *.out khi chạy chương trình Gaussian.

File 1 *.atom: Chọn phần “AO basis set in the form of general basis input”

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

19

3

19

File 2: *.molecule. Chọn phần “Molecular Orbital Coefficients”

Chú ý: Khi lưu trong mục save as type ta phải chọn All Files,

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

B2 Quy định giá trị các tham số

Mở file: dipole.h file này quy định các giá trị của các hằng số. VD:

Pi=3.141592654

B3 Chạy get_wf_CHN.f

Trong đó ta kiểm tra các thông tin NAB, NSHELL phù hợp với thông tin

trong file *.molecule (các thông tin đó được đánh dấu trong phần trên)

Số thông tin về các phân tử (trong VD có 19 thông tin về phân tử 1, có 5 thông tin về phân tử 2, có 19 thông tin về phân tử 3)

Chú ý các nút trên màn hình.

Số lớp elctron trong phân tử(trong VD phân tử 1 có 5 lớp, phân tử 2 có 3 lớp, phân tử 3 có 5 lớp)

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Ta lần lượt nhấn các nút sau:

 Complie: để chuyển thông tin sang ngôn ngữ máy.

 Nếu không có lỗi: phía dưới màn hình sẽ có thông tin

như sau:

 Nếu có lỗi: máy sẽ báo như sau và có chỉ dẫn đến vị trí có lỗi, nhờ

đó ta có thể sửa lỗi dễ dàng (trong VD: máy báo lỗi ở dòng

open1(1,file="coe.MOLECULE")

 Built: kiểm tra cấu trúc thông tin.

 Execute Program: chạy HOMO

File xuất có dạng input.wf

 Bước 2: Chạy LewMol_2.2.f, đây cũng là một source code viết bằng

FORTRAN sử dụng mô hình Lewenstein để tính toán HHG phát ra do phân tử,

nguyên tử tương tác với laser cường độ mạnh.

B1 Chuẩn bị File input:

Khi chạy LewMol cần các file sau:

File omega-new.in chứa thông tin về laser chúng ta sử dụng: (có 5 số)

 Số thứ nhất là bội số của chu kì, sau n chu kì, ta sẽ có xung là

30fs.

 Số thứ hai(x 1014) là cường độ đỉnh.

 Số thứ ba: tần số omega (eV)

 Số thứ tư là pha (pi)

 Số thứ năm là thế ion hóa.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

File Rinfo.inp để kiểm tra xem thông tin có giống trong file *.gif của Guassian

không?

 NAtom: số nguyên tử của phân tử (trong ví dụ ta thấy có 3 nguyên tử)

 Units: đơn vị dùng, nếu đơn vị Bohr ghi số 1, đơn vị Ams ghi số 2 (trong ví

dụ ta chọn đơn vị Ams nên ghi số 2)

 Dòng tiếp theo là tọa độ của các nguyên tử, được rút từ file *.gif

 Dòng tiếp là các đại lượng mà LewMol_2.2.f có thể tính, nếu ta tính thì ghi

1, không tính thì ghi 0.

File Orient.in chứa thông tin về góc hợp bởi vectơ phân cực của laser và trục phân

tử.

B2 Chạy LewMol_2.2.f

Sau khi đã chuẩn bị sẵn sàng các file input, làm các bước tương tự như khi

chạy file: get_wf_CHN.f cho kết quả trong file hhg.dat, trong file kết quả có 5 cột:

cột 1 là bậc của HHG, cột 2 là giá trị bình phương của dipole theo phương song

song, cột 3 là giá trị log10 của dipole theo phương song song, cột 4 là giá trị bình

phương của dipole theo phương song song, cột 5 là giá trị log10 của dipole theo

phương song song.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

Tuy nhiên, bậc HHG lẻ, khó sử dụng, ta sử dụng hhg-average-newH.f để tính

gần đúng bậc HHG.

 Bước 3: Chạy hhg-average-newH.f

Tương tự chạy: hhg-average-newH.f cho kết quả trong file hhg-power.dat.

Kết quả có 5 cột tương tự như trong file hhg.dat: cột 1 là bậc của HHG, cột

2 là giá trị bình phương của dipole theo phương song song, cột 3 là giá trị log10

của dipole theo phương song song, cột 4 là giá trị bình phương của dipole theo

phương song song, cột 5 là giá trị log10 của dipole theo phương song song.

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Trần Trác, Diệp Ngọc Anh, Quang học, Nhà xuất bản Đại học

Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2005.

[2] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật LASER, Nhà xuất bản

Giáo dục, 2005.

[3] Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng. Thông tin động về

chí KH (ĐH Sư Phạm TP HCM), Khoa học tự nhiên, số 12, tr. 119-130

cấu trúc phân tử C2H2 sóng hài bậc cao sử dụng xung LASER siêu ngắn. Tạp

[4] Nguyễn Đăng Khoa. Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Khoa học tự nhiên

TP. Hồ Chí Minh, 2008.

[5] Nguyễn Đông Hải khóa luận tốt nghiệp LASER siêu ngắn và ứng dụng

trong chụp ảnh phân tử, trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. 2006

[6] James B. Foresman, Æleen Frisch, Exploring Chemistry with electronic Structure Methods, 2nd edition, Gaussian Inc., Pittsburgh, PA.

[7] Nguyen Ngoc Ty, Le Van Hoang, Le Anh Thu, Chii-Dong Lin, Tracking

HCN/HNC Isomerizing Process by UltraShort Intense LASER, 2009.

[8] Le Van Hoang, Nguyen Ngoc Ty, Le Anh Thu, Chii-Dong Lin và C Jin,

Retrieval of interatomic separations of molecules from LASER-induced high-

order harmonic spectra, J. Phys. B 41 (2008) 085603-8

[9] Peter Hannaford, Femtosecond LASER Spectroscopy. 2005

[10] M.Lewenstein, Ph. Balcou, M. Yu. Ivanov, Anne L’Huillier và P.B.

Corkum, Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser field.

1994

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng

[11] Anh Thu Le, R Della Picca, P D Fainstein, D A Telnov, M Lein. Theory

of high-order harmonic generation from molecules by intense LASER pulse.

2008

[12] Zewail A H (2000) J. Phys. Chem. A Vol.104, p. 5660

[13] Itatani et al (2004), Nature, Vol. 432

[14] J. Itatani, J. Levesque. Hiromichi Nikura, H.Pépin, P.B. Corkum và D.M

Villeneuve. Tomographic imaging of molecular orbitals, Nature , Vol.432,

2004

[15] M Protopapas, C H Keital và P L Knight. Atomic phusics with super-high

intensity lasers. 1996

SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên