Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Laser siêu ngắn - Cơ chế phát xạ sóng hài

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA VAÄT LYÙ  ÑEÀ TAØI: GVHD : TSKH. LEÂ VAÊN HOAØNG SVTH : PHẠM THỊ TUYẾT MAI NIEÂN KHOÙA: 2005-2009 LÔØI CAÛM ÔN Kieán thöùc luoân laø haønh trang böôùc vaøo cuoäc ñôøi cuûa moãi con ngöôøi. Trong suoát 4 naêm hoïc taïi tröôøng ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM TP.HCM, em ñaõ trang bò cho mình haønh trang aáy vôùi söï dìu daét cuûa caùc quyù thaày coâ, nhöõng ngöôøi luoân luoân hi sinh vì söï nghieäp giaùo duïc, vì töông lai cuûa theá heä chuùng em. Cuøng vôùi söï hoaøn thaønh cuûa luaän vaên, em xin chaân thaønh caûm ôn ñeán: _ Thaày Leâ Vaên Hoaøng ñaõ nhieät tình höôùng daãn , giuùp ñôõ , ñoùng goùp yù kieán , hoã trôï taøi lieäu tham khaûo cuõng nhö uûng hoä em trong caùc yù töôûng môùi , taän tình söûa chöõa nhöõng sai soùt giuùp em hoaøn thaønh toát luaän vaên naøy . _ Thaày Nguyeãn Ngoïc Ty ñaõ hoã trôï trong quaù trình söû duïng caùc phaàn meàm tin hoïc môùi, giuùp ñôõ , ñoùng goùp yù kieán vaø nhöõng lôøi khuyeân chaân thaønh cho luaän vaên cuûa em . _ Caùc anh chò trong khoa Vaät Lyù vaø baïn sinh vieân cuøng khoùa ñaõ uûng hoä, ñoäng vieân vaø hoã trôï veà tin hoïc cho luaän vaên cuûa em. _ Gia ñình , ngöôøi thaân ñaõ ñoäng vieân tinh thaàn giuùp em hoaøn thaønh toát luaän vaên. TP HCM, ngaøy 27/04/2009 Sinh vieân Phaïm Thò Tuyeát Mai Luận Văn Tốt Nghiệp MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu suất của những thiết bị Laser rất thấp - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng Laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Các ứng dụng của Laser có thể dễ dàng được tìm thấy trong đời sống hàng ngày, từ máy đọc 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[4]. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – kỹ thuật, kỹ thuật Laser cũng đã có những bước phát triển đáng kể. Đặc biệt, 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)[7]. Thành tựu này đã mở đường cho một loạt các ứng dụng kỳ diệu mà trước nay chưa từng đạt được. 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. Thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài “Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài”, tác giả mong muốn trang bị cho mình những kiến thức cơ bản về Laser[3] và cơ chế phát xạ sóng hài, làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Hướng vào mục tiêu đó, luận văn được trình bày với ba mảng nội dung chính như sau: Phần 1: Tổng quan về Laser. Phần 2: Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài. Phần 3: Sóng hài do phân tử HCN tương tác với Laser. Luận văn được trình bày 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 Luận Văn Tốt Nghiệp thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học khi chưa thật sự cần thiết, tăng cường minh họa bằng hình ảnh. Với yêu cầu về nội dung và hình thức trình bày như trên, tác giả thực hiện luận văn với những nội dung chính như sau: Phần 1 trình bày những kiến thức cơ bản về Laser bao gồm lịch sử phát minh Laser, đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, các loại Laser, ứng dụng của Laser[12]. Có nhà khoa học đã nhận định rằng: trong vòng hai thế kỷ trở lại đây, những phát minh khoa học quan trọng đều là những phát minh do sự tình cờ. Sự phát minh ra Laser cũng là một trong những phát minh như vậy. Khi hai nhà khoa học Townes và Schawlow nghiên cứu 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, … 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[3], các đặc điểm của Laser như tính định hướng, độ tụ cao, đơn sắc[1],…có minh họa bằng hình ảnh hoạt động của Laser ruby, Laser khí He-Ne, Laser bán dẫn,… Về cơ bản, nguyên tắc hoạt động của Laser khá đơn giản, tuy nhiên để nghiên cứu chi tiết hơn về Laser thì cần phải có những khái niệm cơ bản dùng cho Laser, mà quan trọng nhất là khái niệm sự bức xạ cưỡng bức[2] và sự đảo lộn mật độ cư trú. Các khái niệm này được trình bày ở mục 1.1.4. 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. Đầu tiên là buồng cộng hưởng quang học. Đây là một bộ phận quan trọng của Laser, có tác dụng khuếch đại bức xạ điện từ đến cường độ đủ mạnh để thoát ra ngoài thành chùm sáng Laser, và cũng chính nó tạo cho Laser những tính chất đặc biệt như tính định hướng và tính đơn sắc rất cao. Một bộ phận quan trọng khác của Laser là nguồn năng lượng bức xạ để kích thích các nguyên tử của hoạt chất khi Laser hoạt động, nói cách khác là tạo môi trường hoạt tính cho Laser. Với mỗi loại Laser sẽ có một cách tạo môi trường hoạt Luận Văn Tốt Nghiệp tính riêng. Ở đây tác giả giới thiệu hai phương pháp, đó là phương pháp bơm năng lượng thường dùng cho Laser rắn và phương pháp phóng điện thường dùng trong Laser khí. Cuối cùng, tác giả trình bày về môi trường hoạt tính của Laser. Thông thường Laser được phân loại theo môi trường hoạt tính của chúng, ví dụ như Laser rắn, Laser khí, Laser bán dẫn, … Ngoài ra còn một cách phân loại khác mà trong luận văn không đề cập đến, đó là cách phân loại dựa theo tác dụng sinh học của Laser đối với con người. Trong cách phân loại này, Laser được chia thành 4 loại từ I đến IV tùy theo tác dụng và sự nguy hiểm của chúng đối với cơ thể người. Cách phân loại này thường được dùng trong các môi trường làm việc tiếp xúc với bức xạ Laser, còn thông thường, người ta vẫn dùng cách phân loại theo môi trường hoạt tính. Trong mục này đề cập đến các loại Laser quan trọng và được sử dụng phổ biến là Laser rắn, Laser khí và Laser bán dẫn; đồng thời giới thiệu một số Laser thông dụng như Laser Nd:YAG, Laser CO2, Laser He-Ne,… Phần 2 và phần 3 trình bày hai nội dung chính của luận văn. Nội dung của phần 2 chủ yếu xoay quanh sự phát sóng hài bậc cao – HHG, vì đó là cơ chế tạo ra các xung Laser siêu ngắn[7]. Thực ra, có nhiều cơ chế để tạo ra các xung Laser siêu ngắn, nhưng trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp đại học, tác giả chỉ tập trung trình bày một cơ chế quan trọng nhất, đó là HHG. Chúng tôi trình bày sơ lược về lịch sử ra đời cũng như nguyên tắc hoạt động của Laser, tương tác phi tuyến của phân tử với Laser, tức là phân tử tương tác khác nhau đối với trường Laser có cường độ khác nhau. Có thể nói ngắn gọn về tương tác giữa nguyên tử - phân tử với Laser[8] như sau: Khi trường Laser yếu so với trường tương tác Coloumb của nguyên tử thì Laser chỉ khuấy nhiễu trạng thái của các nguyên tử và sự ion hoá chỉ xảy ra theo cơ chế hấp thụ đa photon để chuyển lên trạng thái kích thích. Còn khi cường độ Laser mạnh hơn trường tương tác Coloumb trong nguyên tử (khoảng 1014W/cm2 ) thì sự ion hóa xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức các electron sẽ xuyên hầm qua rào thế tạo bởi thế Coloumb của nguyên tử và thế năng của Laser để sang ... - tailieumienphi.vn