Chương 1: Cơ sở lí thuyết Trong chương này chúng tôi trình bày một số khái niệm, lí thuyết cơ bản của tương tác laser với nguyễn tư, phan tử. Trong phan đâu chúng tôi giới thiệu về laser, khá: niệm ion hóa, phân loại cơ chế son hóa và sơ lược lí thuyết của Keldysh Sau đó chúng tôi trình bảy bai toán nguyên tử He dé tim năng lượng của He ở trạng thái cơ ban, vả một sé mức nâng lượng kích thích khác nhau của nguyên tử He được công bế trong các bài báo khoa học trên thế giới để làm tư liệu tham khảo cho chương 2.1 Tương tác giữa laser với nguyên tử, phân tử Laser được viết tắt từ cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, nghĩa là “Máy khuếch đại anh sáng bằng phát xạ kích thích”. Laser là nguồn sáng nhân tao, thu được nhờ sự khuếch dai ánh sáng băng bức xạ phát ra khi kích thích cao độ các phẩn tử của một môi trường vật chất tương img [7]. Ba ưu điểm nỗi trội của laser: + Độ định hướng cao: tia laser phát ra gin như là chim song song, có khá năng chiếu xa hang nghìn km ma không bị phân tán.
« Tinh đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một tần số (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán sắc khi đi qua mặt phân cách của hai mỗi trưởng có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất ma không nguồn sáng nảo có. « Tinh kết hợp của các photon trong chùm tia laser; các photon phát ra có cùng tan số vả cùng pha.
Laser có hai chế độ phát la chế độ phát liên tục vả chế độ phát xung. Trong chẻ độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi theo thời gian. Sự đảo nghịch mật độ electron can thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn. Trong chế độ phat xung.
công suất laser thay đôi theo thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn. Kể từ khi laser cường độ cao, xung cực ngắn ra đời. việc nghiên cứu sự tương tác của nguyên tử, phân tử với trường ngoải vả các hiệu ứng phi tuyến trở nên dé tiếp cận hơn bao giờ hết Các nhà khoa học đã chế tạo được laser có bước sóng trải rộng tử vùng hỏng ngoại đến ảnh sang nhìn thấy vả cả vùng tử ngoại, tia X, gamma-laser cũng cỏ rat nhiều triển vọng [18]. Khi tương tác với laser, nhiều hiệu img quang học phi tuyến thú vị có thé được khảo sát.
Điển hình là các hiệu ứng ion hóa xuyên him, ion hóa vượt rio va phát xạ sóng điều hòa (HHG). lon hóa là quá trình nguyên tử, phân tử thay đối điện tích của mình và trở thành ion băng cách nhường hoặc nhận clectron. Quá trình ion hỏa có thé là kết qua của sự tan xạ với các phân tử, nguyên tử, hay ion khác; qua sự điện ly; qua phân ri phỏng xạ hoặc thông qua sự tương tác với sóng điện từ. lon dương được tạo thành khi electron liên kết được truyển đủ một lượng năng lượng cần thiết thông qua tan xạ với các ion, electron, positron hoặc với photon.
Giá trị năng lượng cẩn thiết 46 được gọi là thé ion hóa. Sự ion hóa ma nguyên tử, phân tử ban đầu ở trạng thái cơ bản (trạng thái có năng lượng thấp nhất) gọi là sự ion hóa đoạn nhiệt [11]. Trong luận văn nảy chúng tôi khảo sát quá trình ion hóa ma nguyên tử He ởcác trạng thái kích thích khác nhau, từ đó so sánh với quá trình ion hóa đoạn nhiệt, và rút ra mức độ ảnh hưởng của các trạng thái kích thích. Tương tác giờa nguyên tử, phân tử với trường laser đủ mạnh có thé dẫn đến quá trình ion hóa một hoặc đa điện tứ.
Tốc độ ion hóa - xác suất ion hóa trên don vị thời gian - có thé được tính bằng hướng tiếp cận lượng tứ. Nhìn chung lời giải giải tích chỉnh xác cho các bai toán ion hóa nhiều điện tử vẫn chưa được hoản thiện, tuy nhiên các phép tinh gẳn đúng dùng trong phương pháp giải số bằng máy tính vẫn có thé chấp nhận được và được xem như một nguồn thông tin đáng tin cậy. Khi nguyên tử tương tác với laser, điện tử sẽ thu thêm năng lượng, đây là một trong các các tiêu chỉ cho biết về độ mạnh của chùm laser. Nang lượng trọng động là năng lượng dao động trung binh của một electron tự do trong trường laser trong một xung xác định.
Biểu thức của năng lượng trọng động được viết bởi U,= = zt ort — (1.1) trong dé g là điện tích, m, là khỏi lượng electron, «, là hing sé điện môi trong chân không. e là tốc độ ánh sáng. là tần số góc của xung laser, / là cường độ của trường laser. Nang lượng trọng động phụ thuộc vào bình phương của bước sóng A và phụ thuộc tuyến tính vào cường độ, nó thé viết đưới dạng như sau U/„|eV] = 9,34x103'x(4|nm])°xI[W/cmỶ |].2) Ur là tiêu chí dé xác định xem trường laser có mạnh hay không bằng cách so sánh các đặc trưng của năng lượng ion hóa £) của hệ trong mỗi tương quan với Up, đôi với trường laser mạnh thi sự ion hóa sẽ xảy ra nếu Up>E).
sự ion hóa của Coo với £7.58eV với laser bước sóng 800nm sẽ diễn ra mạnh nếu [>1,3*10"*W/em? [16]. Sự tương tác của laser với rất nhiễu hệ nhiều hạt có thé dẫn đến sự hap thụ năng lượng một cách ổn định, nó làm cho hệ mắt dan trạng thái cân bằng. Sau khi năng lượng được hắp thy, phần nang lượng thừa có thể được phóng thích. Có 3 cơ chế phóng thích: ion hóa, sự phân mảnh (fragmentation), và bức xa photon dưới dạng huỳnh quang hoặc lân quang.
Trong đó ion hóa và phân mảnh là hai cơ chế quan trọng nhất. Đối với sự ion hóa năng lượng hap thụ phải lớn hơn thé ion hóa của hệ. Quá trình ion hóa trực tiếp hay không trực tiếp (delayed) có thể phân biệt: trực tiếp nghĩa là electron thoát ra trong thời gian của một xung laser, còn không trực tiếp thi sự ion hóa được quan sát khi xung đỏ đã qua. Tại cường độ thấp.
quá trình ion hóa photon chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng hap thụ của photon 4a cao hơn thế năng ion hóa E; của electron. Trong ion hóa đa photon (MPI), N photon với năng lượng œ được hap thụ và ta có Ey +E„ = NA@~ E,, (13) Trong đó Ex là động năng của clectron bị bắn ra và Ev lả năng lượng của chuyên động tự quay và dao động của hệ ngay sau khi quá trình ion hóa điển ra. Giả sử như X la số photon tôi thiểu can cho quả trình MPI, thi NA@œz E, >(N~ 1)J#e. (14) Nếu điện trường của laser trở nên đáng kẻ so với thể Coulomb thi electron có thé xuyên ham qua rảo thé và thoát khỏi nguyên tử, gọi lả ion hóa xuyên ham.
Sự phụ thuộc của xác suất ion hóa vào thé ion hóa vả thông số laser (cường độ | va tan số) đã được tìm hiểu bởi Keldysh [8]. Trong đó ion hóa đa photon va ion hóa xuyên him la hai cơ chế giới han của ion hỏa phi tuyến. Hệ số Keldysh được đưa ra để diễn tá sự chuyển đời giữa 2 cơ chế này Gia sử #œ< E,, MPI diễn ra nêu y >1 (sự ion hỏa với tần số cao và cường độ thân), trong khi đó ion hóa xuyên him xảy ra nếu y «1 (ion hỏa với tan số thấp vả cường độ cao). Sự tiễn hóa từ ion hỏa da photon sang ion hóa xuyên ham đã được khảo sát bằng thực nghiệm.
MPI được xem là cơ chế nhiễu loạn phi tuyến, trong khi đó ion hóa xuyên ham lại lả cơ chế trường mạnh. §OQO rưn 400 nm 1x10” 1x10" 1x10" wee 4 Wem F440" 1x10" 1x10” 10 100 Nâng lượng photon {eV | Hình !.1: Cơ chế ion hóa khác nhau tùy thuộc vào cường độ laser và năng lượng photon. Đường chấm màu đỏ và màu xanh biểu diễn năng lượng photon tùy thuộc vào bước sóng laser 800nm và 400nm. Đường nét đứt mau xám ứng với sự ion hóa của Coo với y =1, từ đó phân chia ra hai cơ chế ion hóa đa photon ( y >1) và ion hóa xuyên hằm (y « l).
Những cơ chế ion hóa đa photon khác nhau được mô ta trên ví dy hình 1.1, Với những cường độ thấp ion hóa diễn ra theo quá trình đa photon nhiễu loạn (với những cường độ thấp nhất) hoặc da photon không nhiễu loạn. Nếu tan số thấp và cường độ cao, sự ion hóa chuyển thảnh xuyên hằm. lon hóa trường xảy ra nếu cường độ laser cực lớn va rảo thé hoàn toàn bj lin dt bởi trường laser, Trong một số trường hợp cụ thể, cơ chế ổn định photon ion hóa xảy ra. Cuối cùng, nếu cường độ laser cực lớn sẽ xảy ra các hiệu ứng tương đối tính.
Ví dụ, với cường độ bằng 10!° W/em’, và bước sóng ia 1053 nm, năng lượng của clectron đạt tới ¡ MeV va xap xi năng lượng nghỉ 0,5 MeV, như vậy chuyển động của electron trở nên tương đổi tính [16].2: Cơ chế ion hóa nhiễu loạn phi tuyến ( y >1): (a) lon hóa đa photon; (b) lon hóa vượt ngưỡng.2a điển tá quá trình ion hóa đa photon. Xác suất ion hóa của MPI phụ thuộc mạnh vào tần số của laser do các khả năng cộng hưởng giữa năng lượng của các photon hấp thụ và các mức năng lượng dừng trung bình Ở các mức cường độ cao (dưới cường độ bão hỏa), một electron có thể hấp thụ nhiều photon hơn số photon tối thiểu cho ion hóa, hay còn gọi là sự ion hóa vượt ngưỡng (above threshold ionization) như hình 1.3: Cơ chế ion hóa khi y «1: a) lon hóa xuyên ham; b) lon hóa vượt rao. Với hệ số y «1 (trường laser có cường độ cao vả tần số thấp hoặc cao), trường laser làm biển dang rảo thé của nguyễn tử như được mô tả ở hình I.3a, Rao thé chia không gian thành 2 vùng img với electron liên kết hoặc tự do. Nếu tần số du nhỏ, electron có thé rời nguyên tử bằng cách xuyên hằm qua rào thế.
Xác suất ion hóa xuyên ham được xác định bởi 2(2EI ] 7= exp| ~ hr i; ( 1.6) Tại các cường độ cao hơn, trường laser lấn át hoàn toàn rào thé và electron có thé dé đảng thoát ra khỏi nguyên tứ, như hinh 1.3b, được gọi lả ion hóa vượt rảo. Mức cường độ giới han của ion háo vượt rio đổi với các nguyên tứ giống Hidro được xác định bởi bự = 4x10" S3.