Chương 1: Cơ sở lí thuyết Trong chương này chủng tôi trình bày một số khái niệm, lí thuyết cơ bản của tương tc laser với nguyên tứ. phân tử Trong phần đầu chủng tô giới thiệu về laser, khái niệm ion hóa, phân loại cơ chế ion hóa và sơ lược li thuyết của Keldysh. Sau đó chúng tôi tình bảy bài toán nguyễn từ He để tìm năng lượng của He ở trạng thi eơ bản, và một số mức năng lượng kích thích khác nhau của nguyên tử He được công bổ trong các bài báo khoa bọc trên th giới để làm tư liều ham khảo cho chương2 1.1 Tương tác giữa laser với nguyên tử, phân tử. Laser được viết ất từ cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of ÂÑadiation trong tiếng Anh, nghĩa là "Máy khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”.
Laser là nguồn sáng nhản tạo, thu được nhờ sự khuch đại ánh sáng bing bức xạ phát m khi kích thích cao độ các phẪ tử của một môi trường vật chất tương ứng [7]. Ba vu điểm nỗi trội của laser + _ Độ định hướng cao: tia laser phát ra gần như là chùm song song, có khá năng, chiếu xa hảng nghìn km mả không bị phân tín. « _ Tính đơn sắc rất cao: chủm sáng chỉ có một tần số (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tấn sắc khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
Đây là tính chất đặc biệt nhất mả không. gules sng nko 3: « ˆ Tính kết hợp của các photon trong chim ta laser: che pholon phát ra có cùng tần số vả cùng pha. Laser có hai chế độ phát là chế độ phát liên tục và chế độ phát xung. Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi theo thời gian.
Sự: đảo nghịch mật độ electron cin thidt cho hoạt động laser được duy tr liên tực bởi nguồn bơm năng lượng déu đặn. Trong chế độ phảt xung, công suất laser thay đối theo thời gian, với đặc trưng là các gii đoạn đồng" và "ngÃt" cho phép ập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn KẾ từ khi laser cường độ cao, xung cực ngắn ra đời, việc nghiên cứu sự ương ác của nguyên tử, phân tử với trường ngoài và các hiệu ứng phi tuyển trở nên 42 tiếp cận hơn bao giờ hết, Các nhà khoa học đã chế tạo được laser có bước sóng trải rộng từ vũng hing ngoại đến ảnh sing nhìn thấy và cả vùng tử ngoại, tia X, gamma.laser cũng cổ rất nhiễu triển vọng [1#] Khi tương tác với laser, nhiễu hiệu ứng quang học phi tuyễn thú vị cỏ thể được khảo sắt Điển hình là các hiệu ứng ion hỏa xuyên him, ion hóa vượt rào và phát xạ sóng điều hỏa (HHG). lon hóa lả quá trình nguyên tử, phân tử thay đổi điện tích của mình và trở thành ion bằng cách nhường hoặc nhận electron. Quá trình ion.
hỏa có thể là kết quả của sự tin xạ với các phân tử, nguyên tử, hay ion khác; qua sự điện ly, qua phân rã phông xạ hoặc thông qua sự tương tác với sóng điện tứ lon đương được tạo thành khi electron iền kết được truyền đủ một lượng năng lượng cần thiết thông qua tản xạ với các ion, electron, positron hoặc với photon. Giá trị năng lượng cần thiết đó được gọi là thế ion hóa. Sự ion hóa mả nguyên tử, phân tử. "ban đầu ở trạng thất cơ bản (trạng thi có năng lượng thấp nhất gọi là sự ion hóa đoạn nhiệt [11].
Trong luận văn này chúng tối khảo sắt quá trình ion hóa mà nguyên tử He ở các trạng thải kích thích khác nhau, từ đó so sánh với quá trình ion hóa đoạn. nhiệt, và rút ra mức độ ảnh hưởng của các trang thái kích thích, "Tương tác giữa nguyên tử, phân tử với trường laser đủ mạnh có thể dẫn đến cquả trình ion hóa một hoặc đa điện tứ. Tốc độ lon bóa ~ xác suất ion hóa trên đơn vị thời gian - có thể được tính bằng hướng tiếp cận lượng tử. Nhìn chung ời giải giải tích chỉnh xác cho các bài toán ion hóa nhiều điện từ vẫn chưa được hoản thiện, tuy nhiên các phép tỉnh gằn đúng dùng trong phương pháp giải số bằng máy tính vẫn có thể chấp nhận được và được xem như một nguồn thông tin đáng tin ey Khi nguyên tử tương tác với laser, điện tử sẽ thủ thêm năng lượng, đây là một trong các các ti chỉ cho biết vỀ độ mạnh của chìm laser.
Năng lượng trong động là năng lượng dao động trung bình của một elecon tự do trong trường laser trong một xung xác định. Biểu thứ của năng lượng trọng động được viết bởi aay trong đỏ q là điện tích, me là khỏi lượng electron, «, là hằng số điện môi trong chân không, e là tốc độ ánh sáng, ø là tần số góc của xung laser, / là cường độ của trường laser. Năng lượng trọng động phụ thuộc vào bình phương của bước sóng 2 và phụ thuộc tuyển tính vào cường độ, nó thể viết dưới dạng như sau U,JeV]= 9,34x10°*'x(ÄInm])°xI[W/em'|, 412) U là tiêu chỉ để xác định xem trường laser có mạnh hay không bằng cách so sánh các đặc trưng của năng lượng ion hóa E; của hệ trong mỗi tương quan với Ur, đối với trường laser mạnh thì sự ion hóa sẽ xảy ra nếu U/;>E,. Ví dụ, sự ion hóa của áo với EP7.S8eV với laser bước sóng 800nm sẽ diễn ra mạnh nếu P1,3*10"Wiem? (16).
Sự tương tác của laser với rit nhiều hệ hạt có thế dẫn đến sự hắp thụ năng lượng một cách ổn định, nó làm cho hệ mắt dần trạng thái cản bằng. Sau khỉ năng lượng được hắp thụ, phần năng lượng thửa có thể được phóng thích. Có 3 cơ chế phóng thích: ion hóa, sự phân mảnh (fragmentation), và bức xạ photon dưới dang 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 hắp thụ phải lớn hơn thể ion hóa của hệ.
trình ion hóa trực tiếp hay không trực tiếp (delayed) có thể phân biệt: trực tiếp nghĩa. là eleetron thoát ra trong thời gi của một xung laser, còn không trực tiếp thì sự ion "hóa được quan sát khi xung đô đã qua “Tại cường độ thấp, quá trình ion hóa photon chỉ có thể xây ra nếu năng lượng. hấp thụ cia photon 4a cao hon thé năng ion hóa £; của electron. Trong ion hóa đa photon (MPI), N photon với năng lượng 4œ được hấp thụ và ta có Eạ + Eạy = NÀO ~ E,, d3) “Trong đô Ev là động năng của lecon bị bắn ra và „là năng lượng của chuyển động tự quay và dao động của hệ ngay sau khi quá trình ion hóa diễn ra.
Giả sử như A là sổ photon tối thiểu cằn cho quá trình MPI, thì Naw? E,>(N~1)Áe. aay Nếu điện trường của laser trở nên đáng kể so với thé Coulomb th lcươn có thể xuyên him qua rio thé vi thoát khỏi nguyên tử, gợi là ton hóa xuyên hằm, Sự phụ thuộc của xác suất ion bóa vào thể ion hóa và thông số laser (cường độ và tin 86.) 48 duge tim hiểu bởi Keldysh [8]. Trong đó ion ha da photon và ion hóa xuyên hằm là hai cơ chễ giới hạn của on hỏa phí tuyển. Hệ số Keldysh được đưa ra để diễn tú sự chuyển dời giữa 2 cơ chế này re fae ae as) Giá sử 4o< ,, MPI diễn ra nếu > >1 (sự lon hỏa với ẫn số cao và cường độ thấp), rong khi đồ ion hỏa xuyên hÌm xây ra nếu << (lon hóa với tns thấp và cường độ cao).
Sự tiến hóa từ ion bỏa đa pholon sang ion hóa xuyên bằm đã được khảo sát bằng thực nghiệm. MPI được xem là cơ chế nhiễu loạn phi tuyển, trong khi đỏ ion hóa xuyên hằm lạ là cơ chế trường mạnh. 1x10") 869 en 400mm, ato" ato": eel a0" _. 1 10 100 Ne nnn oh Hình 1.1: Co 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 tly thuộc. vio bước sóng laser 800nm và 400nm. Đường nét đứt màu xám ứng với sự ion hóa. của Cụ với y =1, từ đó phân chia ra hai cơ chế ion hóa đa photon (y >1) và ion hóa.
Những cơ chế ion hóa đa photon khác nhau được mô tả trén vi dy hinh 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 đa photon không nhiễu loạn. Nếu tằn số thấp và cường độ cao, sự ion hỏa chuyển thành xuyên hằm. lon hóa trường xảy ra nếu. cường độ laser cực lớn và rào thế hoàn toản bị lấn át bởi trường laser.
Trong một số. trường hợp cụ thể, cơ chế ổn dinh photon ion hóa xảy ra. Cudi cùng, nếu cườngđộ laser cực lớn sẽ xảy ra các hiệu ứng tương đối tính. Ví dụ, với cường độ bằng 10" 'W/em`, và bước sóng là 1053 nm, năng lượng của electron đạt tới 1 MeV va xdp xi năng lượng nghỉ 0,5 MeV, như vậy chuyển động của electron trở nên tương đối tính (16).
10 @ ay ay Hinh 1.2: Co ché ion hóa nhiễu loạn phí tuyến (y>1): (a) Ion héa da photon;(b) on hhéa vượt ngưỡng, Hình 1.2a diễntả quá trình ion hóa đa photoa. Xác suất ion hóa của MPI phụ thuộc mạnh vào tẳn số của laser do các khả năng cộng hưởng giữa năng lượng của các photon hip thụ và các mức năng lượng dừng trung bình. Ở các mức cường độ cao (đưới cường độ bão hòa), một eleetron có thể hắp thụ nhiều photon hơn số photon tối thiểu cho ion hóa, hay còn gọi là sự ion hóa vượt ngưỡng (above threshold ionization) nbur hinh 1.3: Co chế ion hóa khi y «1: a) Lon hỏa xuyên hẳm; b) lon hóa vượt rào. Với hệ sổ y « ! (trường laser có cường độ cao vả tẳn số thấp hoặc cao), trường laser làm biển dang rio thé của nguyễn tử như được mô tả ở hình I.
Rào thể chỉa không gian thành 2 vùng ứng với lecton liên kết hoặc tr do. Nếu tần số đủ nhố, elecon có thể rời nguyên từ bằng cách xuyên him qua rào th, Xác suất ion hóa xuyên hằm được xác định bởi ren 2280") (6) NI Tại các cường độ cao hơn, trường laser lẫn át hoàn toàn rào thể và lectron có thể đễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử, như hình 1. được gọi là ion hỏa vượt rà Mức cường độ giới hạn của on háo vượt rào đối với các nguyễn từ giống Hiểro được xác định bởi lu =4x10! ? an trong đỏ forz; là ngưởng cường độ, E; lả năng lượng liền kết của electron, Z la điện. tích nguyên tổ của nguyên từ hoặc on.