Nghiên cứu tính chất phổ phát xạ Điều hòa bậc cao của nguyên tử hydro trong laser xung cực ngắn và Điện trường tĩnh

Sự phát xa điều hòa bậc cao 2 Phé pt xa điền hòa bậc cao đổi với tính đổi xứng của hộ 3 Phát xa điều hòa bặc cao đối với sự phá vỡ đối xứng gây ra bởi điện trường tĩnh 22 Quy trình tính

KHOA LUẬN TỐT NGHIEP

‘TP, Hé Chi Minh ~ Nam 2022

BO GIAO DUC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG DAI HOC SU PHAM TP.HO CHi MINH

TRIEU DOAN AN

NGHIEN CUU TINH CHAT PHO PHAT XA DIEU HOA BAC CAO CUA NGUYEN TU HYDRO TRONG LASER XUNG CUC NGAN VA ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH

Chuyên ngành: Vật lý học

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS TSKH LE VAN HOANG

TP Hồ Chí Minh ~ Năm 2022

PGS TS Hoang

GS TSKH Lé Van Hoang

Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đền phòng Vật lý ính toán vì đã cũng cấp

ài nguyên my tính, giúp tối hoàn thành hiệu quả các quy trình tính toán sử đụng thời, sự hỗ trợ của các thầy cô và sự đồng hành của toàn thể

Nhóm nghiên cứu trong tổ Vật ý lý thuyết cũng đã giúp tôi uôn vững bước trong suốt giả lồi cảm ơn chân thành đồn khoa Vặt lý, trường Dại học Sự pham Thành phố Hồ Chí Minh, à đã xuất hiện trong cuộc đồi tôi như một cánh đồng màn mỡ, để một hạt mẫm như tối được gieo trồng, nãy nở và phát triển manh mỡ giữa đất trời rông lớn

lồ Chí Minh, ngày 21 thắng 4 niềm 2022 Triệu Đoan An Tp

Tài cảm du

1 Cơ sở lý thuyết

11 Sự phát xa điều hòa bậc cao

2 Phé pt xa điền hòa bậc cao đổi với tính đổi xứng của hộ

3 Phát xa điều hòa bặc cao đối với sự phá vỡ đối xứng gây ra bởi điện trường tĩnh

22 Quy trình tính phổ phát xa điều hòa bậc cao

3 Kết quả và thảo luận

31 Quy luật chân.lẽ của phổ phát xạ điều hòa bậc cao đối với sự phá vã đổi xứng gây ra bồi điền trường tính

32 Tinh phổ quất của quy luật chân-lô

Kết luận và hướng phát triển

1 2 Hình đạng đặc trưng của phổ phát xa điều hòa bặc cao Mo hình bà bước Leweinstein Biểu hiện của phổ phát xa diễn hòa bác cao đối với hệ có mất điện trường tĩnh

Tình dạng xung laser

Biểu hiện của sóng điều hòa bậc chân và lẻ phát ra từ nguyên tit hydro đặt trong lasor xung cực ngần và điên trường tĩnh Quy luật chân.lõ của phố sóng điều hòa bậc cao dối với sự phá võ đt xứng gây ra bởi điện trường tĩnh,

Quy Inat chân lẽ của phổ sáng điều hòa bạc cao với các giá tỉ khác nhau của cường độ và bước sóng laser

Lời mở đầu

‘Tren hành trình tìm hiểu quy luật vặn hành của thể giới tự nhiên, quan sắt chuyển động luôn là một trong những nhủ cầu cấp thiết hàng đầu Đến nay, những chuyển hình của máy quay phim, micro-siay đối với những phản ứng héa học, bay thâm chi chung đã được con người quan sát khá tốt, Tuy nhiên, những chuyển đông ở thang thời

“quang hợp của thực vặt, atto-giay đối với chuyển động của electron trong nguyễn tử, phân tử, vẫn chưa được con người quan sắt một cách trọn ven, Đồng hành cũng con vai 0 18 mot trong những trợ thủ đác lực ở thời điểm hiện tại [|

Laser la vit tt oa cum tr "Light Amplification by Stimulated Emission of Radic ation”, có nghĩa là "Khuếch đại ánh sáng bằng phát xa kích thích”, Cụm từ này cũng khả năng làm phát ra một lượng năng lượng lớn trong khoảng thời gian rắt ngần (2 loser thu hút sy guan tâm cũa cộng đồng Khoa hoc trên toàn thế gii Kỹ thuật chế tao

thành công trong vic rút ngắn độ dài xung laser đến thang femeo-giây, Zewail da theo đổi được chuyển động của nguyên trĩ, phân tit trong các phân ứng hóa hóa ở thang thời gian tướng ứng [1 Nhị công trình này đá mang đến cho Ong giải Nobol Hóa học năm 1999 Ben cạnh những nỗ lực rút ngấn đô đài xung, cường độ laser cũng được tao ra điện trường cùng bặc với điền trường liên kết ion-electron, Mourou va Strick-

xung được rút ngắn với kỳ lục chỉ còn 43 atto-giây [3], cùng bậc với chuyển đông của 10® Wem? [4], cho phép gia tốc chuyển dong electron lên đến vùng tương đối tính C6 thể nói sự phát triển nhanh chóng cũa laser đã mang đến hàng loạt ứng dụng công nghệ kỹ thuât trong thực tiễn, đồng thời mổ ra các ngành khoa học mới nhực Khoa học femto-giay (Femtosecond Science), Vật lý trường mạnh (Strong-Field Physics), Quang học cực nhanh (Crafaet Optics) Thong đó, vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu là tương tác của laser với vật chất

“Tưởng tác của laser với vật chất cổ thể được xem xét ở cấp đỡ cơ bản là tương tác

“của laser với một nguyên tử hoặc phân tử, gọi chung là bia, Tương tác này có thể dẫn

a ce hig tong phí tuyến như sự ion kép [9], sư ion hóa vượt ngường (5), s ph

xa điều hòa bậc cao [7-1], sự nhiễu xạ electron cảm ng gây ra bởi laser [1-13 Trong luận văn này, chúng tôi quan tâm đến sự phát xạ điền hòn bậc cao, với tên tiếng Anh là liehcordrr Harmonics Generation", viết tắt là HHG Quá tình HIG có thể

của bìa Electron do đó có thể xuyên hảm ra vùng năng lượng liên tục Ở vùng năng

lương liên tục, lectron được gia tốc bởi trường điện của laser và tích trữ đồng năng Khi điện trường laser đổi chiều, cleetron bị kếo về và tái kết hợp với ion me Sự tái hợp đồng năng títh trữ được của clectron khá lớn nên photon phát ra có tần số gắp nhiều lần, thâm cht len dé vai trim, van ngàn lần tần số laser tới Photon này do đồ được soi là sống điều hòa bác cao Bội số cũa tần số photon so với tần số laser tối được gợi

là bác của HNG

Khi sử dụng xung laser dù dài, việc đo dạc tín hiệu HNG cho ta thủ về phổ HHG xới các định phổ chỉ xuất hiện tại vị trí ứng với HNG có bậc là số nguyên Bên cạnh giảm rất nhanh, sau đó trải qua một vàng phẳng với cường đô gần như không đổi

mẹ Từ phỏ HNG, người ta cĩ thể tái tao orbital ngồi cùng của nguyên tử hoặc phân

ih ing 39% bien độ điện trường laser [13] Odưak và Milộoxi€ đã giả thích được cầu trắc các vùng phẳng thơng qua việc khảo sát dĩng gop của những electron trường,

cịn khảo sát hiệu ứng mở rộng vàng phẳng này khi laser đơn sắc được thay bằng một

"khơng đồng nhất theo khơng gian [47], Trai với sư mổ rộng vàng phẳng, hiệu ứng thứ bai - sự xuất hiện của các đình chẩn, lai khơng nhận được nhiều sự quan tâm Wang và cơng sự, với việc khảo sát sự thay dổi cường độ của một định chả đinh lẽ liền kể trong phổ HHNG theo chiều tăng của điện trường tĩnh, đã cho thấy: ð

n và một

đổi, đến một giá trì của điên trường tĩnh, cường đô định chân và lẽ bằng nhan; sau giá tri này, cường độ hai định bất đầu đao đồng quanh một giá trị xác định [12

Di quy luật vừa nêu trên được thể hiện sắt rõ ràng, nhưng nhóm tác giã chỉ mới khảo sát nó đối với hai định phổ, với một cặp giá trị bước sóng và cường độ laser xác

định Chúng tối cho rằng, quy huật này chứa đưng nhiễu tiềm năng đối với viốc thấm cña phổ HHG Hơn nữa, khảo sắt quy luật này có thể cang cấp cho ta thêm hiểu biết văn Nghiên cứu tính chất phổ phát xa diều hòa bậc cao của nguyên tit hydro trong, laser xung cực ngắn và điện trường tĩnh” được thực hiện với aụe tiên: Khảo sát biểu

cổ mặt của điện trường tỉnh đồ, rút ra quy luật phổ quát về biểu hiện của phổ HHG đôi với sự phá võ đối xứng gây ra bối điện trường tính Cầu trúc luân văn gốm

3 chướng không bao gồm mở dẫn và kết luận, như sau:

+ Chương 1 Cơ sở lý thuyết: Ở chương này, chúng tôi trình bày các bằng chứng thực nghiệm và các lý thuyết mô tả sự phát xa điểu hòa bậc cao Tiếp

với tính đối xứng của hê Nội dung chương sẽ kết thúc với hai ảnh hưởng chính của điền trường tĩnh lên biểu hiện của phổ HHG

« Chương 3 - Phương pháp nghiên cứ: Ö chướng này, chúng tối tình bày

mô hình lý thuyết và quy trình tính toán nhằm thu được phổ HHG

+ Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Ở chương này, chúng tôi xác nhận lại quy:

uặt về cường đồ của một cấp đình chân và lẻ trong phd HG, te dé md rong ra

bo ving phẳng, Một dại lượng mối dược đưa ra, gi là tỷ số chânô, nhằm đặc trưng cho quy lật "ôi lên” của các dình chấn trong toàn bộ vàng phẳng, Khảo sát tỷ số chẳn.lẽ đối với các laser có cường dộ và bước sóng khác nhau, chúng lõi đưa ra ạny luật phổ quất đối với tỷ số chãn-lễ này:

thức trong luận văn được biểu diễn trong hệ đơn vị nguyên tử, với đơn vị của các đại lương đều được ký hiew TA a.n, (atomic units} Danh mục trích đẫn gồm 59 công trình Trong đó có môi công trình do nhóm nghiền cứu chúng tối thực hiện và dang trong Tan văn này.

Chương 1

Cơ sở lý thuyết

1.1 Sự phát xạ điều hòa bậc cao

Năm 1960, sự ra đời của laser đã đánh đầu một cột mốc quan trong, mở đầu cho hàng giữa ánh sing voi vat chất, Năm 1961, chỉ một năm saw khi laser ra đồi, nhóm nghiền Harmonic Generation) [49] Cu thể, khi thực hiện thí nghiệm chiến chìm laser vào tỉnh thể thách anh, ngoài chùm cảm ứng phát ra với tần số bằng tần số laser Lới, nhóm

1967, New và công sự chiều châm laser vào khối phân tử khí hiểm và phát hiện hiện tướng phát xa điều hòa bác ba (Third-order Harmonie G ation), tte photon phát

xa cổ tần số gấp ba lần tần số laser tới (50J Không dững lai ở đó, sự phát tiền iên tục

“của kỹ thuật chế tạo set đã giúp con người quan quan sắt được hiệu tượng phát Xe

số cao hơn tần số laser tới tân 11 lần (7, 13 lan [8], 88 Lin (10), thamm cht 46 Lin (51 Nỗi tiếp những con số có hai chữ số, có ba chữ số cũng dân lộ diện, như HH (52), 155,

321, và 297 J5)

Đặc diễn chung của các phổ phát xa trong các công trình trên là các đình phổ đền xuất hiện tại vì trí số nguyên lân của tân số laser tối Số nguyên này được gọi là

Điểm dũng Ving phẳng

Bị HnG

Hình 1.1: Hùnh dạng đặc trưng củn phố HHG wit la từng: (6] từng nhiều loạn, (8) tùng phẳng, và (c) tùng sau điểm đồng Diễn đồng là vị tí Kết túc của vùng phẳng, nói cường độ HH giảm bất dầu giảm đội ngột

bạ vũng như hình 1.1, oa thé: O ving bặc HHG nhỏ, cường độ HNG giảm rất nhanh Hiện tượng này dược giải tốt thích bằng lý thuyết nhiều loạn, do đó vùng đầu tin này đổi trong một ving rong Vùng thứ hai do đó được gợi là vàng phẳng Vàng phẳng kết thúc tại một vị trí goi là điểm dừng, Sau điểm dồng, cường dồ HH giễne liên tục Vũng thứ ba này dược gọi là vùng sau diểm dừng

Bon cạnh các công trình thực nghiềm, các nghiên cứu

thuyết cũng được tiến hành nhằm giải thích cơ chế tưởng tác của laser với vặt chất Trong đồ, công trình Lewenstein Mô hình này m6 tả quá trình HHG theo ba bước nlar hình L2, cụ thể: (i) Đầu tiên, trường laser làm hạ thấp hồ thé Coulomb của liên kết ion.elecon Electron dang trang thái liền kết nhờ đó có thể xuyên hằm ra vùng năng lướng lion tue

(đi) Tiếp theo, glectron được gi tốc trong trường laser và tích trữ năng lượng 6 dang, động năng, Khi trường điện của laser đổi chiều, electron bi kéo vé gấp ion mẹ Gi.) Cudi cing, electron tai kết hợp với ion me Sự tái hợp này giải phóng toàn bố động năng của clectron cùng với thế lon hóa ở dang photon

7

eR AAR 0 Liên kết 1 Xuyên im 2.Giatbe x Hinh 1.2: Mo hink Lewenstein mo ta quá trình phát sa điều hồn Bác cao theo ba bước (1) Electron bj ion hồn xuyên hằm từ trạng thái hiến kết nhờ điện trường laser lầm ha thấp sào thế Comlomb; (2) Electron được gia tốc trong trường laser wit bi kéo về gặp hoa bee eno

‘Vi quá trình lon hóa ở bước) và tái kết hợp ở bước (1) được mô tả bằng lý thuyết lượng tĩ, nhưng chuyển động của clectron ở bước li} lại só thể được xom xét thuẫn túy cổ điển nến mô hình này còn được gọi là mỡ hình ba bước bán cổ điển Dua vio bude (ii) của mô hình, năng lượng photon phát xa được xác định bằng , với ly là thể lan hóa của bia và A là đồng năng tái hop cia electron, Vì đồng,

năng tích trữ được của eleetron ở bước (i) khá lớn nẽn photon phát ra có tần số gấp, được gọi là sóng điên hòa bậc cao Cũng từ mô hình ba bước, vị trí điểm đừng trong phổ IĨNG có thể được tước lượng bằng năng lượng của pholon phát xa từ sự tái hợp

‘nas XớI uc là động, cia electron quay về với đông năng lớn nhất, tức bằng Jy + năng tái hợp cực dại của clectron Khi sử dụng xung lser đủ đài, giá trị này bằng 3.110, với là thể trọng đồng của trường laser [H, 15,51] 'Vì HHG chính là kết quả từ sự tái hợp của electron với ion m nên phổ HHG chứa nhiền thông tin cầu trúc của ion mo Từ phổ HHG, người ta có thể tái tao ørbital ngoài

“cùng của nguyên tử hoặc phân tử [16,1 33,27), theo dai eae phản ứng hóa học [23-28]

29), Ben canh d6, HHG là phương pháp trích xuất thông tìn cầu trúc phân từ |

dduy nhất cho pháp tạo ra xung atto-giay ở thời điểm hiện tai

s

1.2 Phố phát xạ điều hòa bậc cao đối với tính đối

xứng của hệ

Phd HAG thể hiện rất rõ thông tỉ về tính đối xứng cña hệ, thống qua vỉ trí xuất hiện ccủa các dịnh phổ Đối với hộ đối xứng, gồm một nguyên tử hoặc phân tử đối xứng và xung laser dũ dài, phân cực thẳng, phổ HNG chỉ chứa toàn các đính ứng vi HHG bậc

lồ, gọi tất là định lẻ 7,8,3] Điễn này được giải thích đựa trên sư giao thoa của các xung atfo-giäy phát ra cách nhau mỗi nửa ch kỳ trong quá tnh tương tác của laser

ch với cũng mật bậc NNG phát va mỗi na ch k có căng bên Toy wi

các xung ng với HHNG bậc lẽ cũng pha nên chúng tăng cường nhan tao thành định lẻ tiêu nhau, dẫn đến sự vắng mất của các đỉnh châu trong phổ HHG 5] Đối với hệ bất đối xứng, các xung phát ra cách nhau nửa chủ kỳ không còn cũng biên độ nên các xung bậc chân không còn triệt tiêu lần nhau, dần dền sự xuất hiện của được thực hiện bởi Erumker và công sự, đối với bia bất đối xứng là phân tử CO [3| Sau đó, việc khảo sát sự phá vô đối xứng tiếp tục được mở rộng và tiếp cân theo hướng thay đổi trường tướng tác, như: sĩ dụng lae cổ tần số thay đổi theo thời gian (32-86), sit dung laser khong đồng nhất theo không dan (37-41 thêm vào hệ điện trường tĩnh (12-4), hoặc kết hop những cách vữa nêu [15-17]

1.3 Phát xạ điều hòa bậc cao đối với sự phá vỡ đối xứng gây ra bởi điện trường tĩnh Một cách tổng quan, các công trình di trước đã cho thấy sự có mặt của diễn trường,

và sự xuất hiện của các đỉnh chẩn [42-11] Chứng tôi mô tả ha hiện ving này trong hình (a) voi phổ HHG khi hệ có mặt điện trường tĩnh trong hình (b) và (e) Cụ thể, hình

1200 nm, vdi him bao hình thang chứa 10 chủ kỳ quang học (b) cho thấy sự xuất hiện rõ xệt của các đỉnh chẵn khi điện trường tĩnh chỉ bằng 1% điện trường ức đại của laser, và hình (c) với điện trường tỉnh bằng 39 điện trường cực đại của laser, cho thấy sự mở rộng vùng phẳng đến bặc 190, lớn hon nhiều so với

bác T7 khi hệ chưa cổ sự xuất biện của diên trường tỉnh,

Quay lại với những công trình đi trước về hiệu ứng gây ra bởi điện trường tĩnh lên phổ HÍNG, có thể nói hiệu ứng mở rông vũng phẳng nhận được khá nhiều sự quan tâm Bối vì nhận lại sau những nỗ lực tổ rông vùng phẳng là sư dồi dào hơn về thông tim cầu trúc của ion mẹ Công trình cửa tác giả Hong và cộng sự cho thấy điền trường tĩnh

có thể làm vùng phẳng mỡ rộng một cách đáng kổ, đặc biệt là khi điện trường tỉnh hình L3 Tuy nhiên, vì nhóm tác giả chỉ xét iến đóng góp của những electron chuyển năng mổ rộng vùng phẳng của điện trường tĩnh vẫn chưa hoàn chỉnh Sau đó, OdZak

đối với sự mổ rộng vàng phẳng trong vàng điện trường tĩnh nhỏ hon 39% dien trường các nhóm, ứng với các khoảng thời gian chuyển động khác nhan, từ đó giải thích được cầu trắc các miễn phẳng trong phd HHG [48]

lớn ứng mổ rộng vùng phẳng, sự xuất hiện của các định ch nhân được nhiều quan tam, Wang và công sự, với việc khảo sát dự thay đổi cường độ

nh lẻ liên kề trong phỏ HHG theo

điện trường tỉnh nhỏ hơn khoảng 1% điện trường cực

„khi cường độ trường tĩnh, đã cho thấy: ở vu

“dại của laser, cường độ của một đình chân tăng theo hàm mũ, trị 1ö iễn kể gân như không thay đổi d

chúng bằng nhan, và san đó dao đồng quanh một giá trị xác định khi điện trường tĩnh