Xem mẫu
- Tương lai của khoa học
hậu laser (5)
laser electron tự do
John Madey
- John Madey là giám đốc phòng thí nghiệm FEL tại trường đại học Hawaii, Mĩ,
và đã đóng góp cho sự phát triển của laser electron tự do.
Thiên văn học
Vật lí nguyên tử
Vật lí y sinh
An ninh quốc phòng
Giống như mọi laser, laser electron tự do (FEL) hoạt động trên nguyên tắc
phát xạ cảm ứng để khuếch đại một chùm ánh sáng khi nó đi qua một vùng không
gian. Nói cách khác, khi các electron chuyển động từ một trạng thái năng lượng cao
sang trạng thái năng lượng thấp, thì chúng phát ra các photon ánh sáng có bước
sóng đồng loạt giống hệt nhau và chuyển động cùng hướng với nhau. Nhưng không
giống như các chuyển tiếp giữa các trạng thái điện tử liên kết trong những laser
khác, FEL khai thác một trong những khám phá chủ chốt khác của Einstein –
thuyết tương đối đặc biệt – để cung cấp bức xạ điện từ tùy chỉnh từ một chùm
electron tự do tương đối tính khi chúng chuyển động qua một từ trường tuần hoàn
nằm ngang trong không gian.
Theo thuyết tương đối đặc biệt, các electron nhận một trường như vậy là
một sóng mạnh đang lan truyền trong hệ quy chiếu nghỉ của chúng, với một bước
sóng giảm tỉ lệ với động năng của chúng. Các photon bị tán xạ bởi các electron phát
ra từ xung này theo hướng chuyển động của chúng bị giảm bước sóng một lần nữa
khi nhìn từ hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Kết quả là các electron với động năng
50 MeV phát ra bức xạ hồng ngoại gần khi chuyển động qua một trường có chu kì
tuần hoàn 2 cm. Ánh sáng có bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn có thể được tạo ra
đơn giản bằng cách biến đổi năng lượng của các electron. FEL có thể cung cấp đều
đặn ánh sáng laser với khoảng 1% công suất tức thời của chùm electron – hàng
megawatt hoặc lớn hơn – và độ dài xung của chúng có thể biến thiên từ chưa tới
- một pico giây đến hoạt động sóng liên tục hoàn toàn. Sự kết hợp pha đặc biệt cũng
có thể thu được qua việc sử dụng các hệ cộng hưởng giao thoa thích hợp.
Những nỗ lực nghiêm túc nhằm khảo sát các ứng dụng khả dĩ của FEL đã bắt
đầu không bao lâu sau khi các đồng nghiệp và tôi tại trường đại học Stanford
chứng minh thành công các bộ khuếch đại và dao động tử FEL bước sóng quang
đầu tiên, tương ứng vào năm 1974 và 1976. Tâm điểm tập trung kể từ đó là sử
dụng FEL để làm những việc khó thực hiện bằng những phương tiện khác. Có lẽ
ứng dụng được biết tới nhiều nhất là phát ra các xung tia X tùy chỉnh, công suất
đỉnh cao, kết hợp, cỡ femto giây, ở năng lượng trên 1 keV dể thực hiện các nghiên
cứu cấu trúc và chức năng phân giải thời gian của từng phân tử phức tạp và đang
tương tác. FEL tia X đầu tiên như vậy hiện đang hoạt động tại Phòng thí nghiệm
Máy gia tốc quốc gia SLAC ở Mĩ, Laser Tia X Electron Tự do châu Âu sắp đi vào hoạt
động tại phòng thí nghiệm DESY ở Đức vào năm 2014.
Ngay cả với những ứng dụng trong đó các loại laser khác có thể là đáp ứng
đủ, thì tiện lợi lớn của các FEL là chúng thật linh hoạt. Do đó, FEL tỏ ra vô giá trong
thực hiện nghiên cứu thăm dò khi các yêu cầu của một ứng dụng đặc biệt chưa
được xác định, hoặc khi một đội nghiên cứu không có thời gian hay tiền của để
phát triển một hệ laser chuyên dụng mới cần thiết cho ứng dụng đó. Các FEL xung
ngắn, công suất đỉnh cao, thế hệ thứ ba, đã phát triển tiên phong trong thập niên
1980, đặc biệt có ích cho việc phát triển những kĩ thuật phẫu thuật mới và cho việc
khảo sát các mức năng lượng, cấu trúc dải và độ linh động của các electron và lỗ
trông trong những chất liệu điện tử và quang học mới, mà không phải lo ngại về
những xung laser thăm dò kéo dài có thể làm hỏng mất vật liệu.
Các hệ FEL công suất trung bình-cao được phát triển gần đây hơn đã mở
rộng những khả năng này để bao gồm cả nghiên cứu về những ứng dụng laser tiềm
năng cho các quá trình xử lí vật liệu ở quy mô công nghiệp. Có tầm quan trọng ít ra
ngang ngửa là những cải tiến trong công nghệ cảm biến từ xa dùng cho nghiên cứu
- biến đổi khí hậu được thực hiện bởi khả năng tùy chỉnh rộng, công suất đỉnh cao,
và sự kết hợp thời gian và không gian ngoại hàng mà các FEL đem lại ở những
bước sóng khả kiến và hồng ngoại.
Tuy nhiên, có một vài đám mây mới trên đường chân trời của nghiên cứu
FEL. Về mặt lịch sử, một nghiên cứu như vậy chủ yếu diễn ra ở một vài phòng thí
nghiệm cỡ nhỏ và trung bình tại các trường đại học và phòng thí nghiệm của chính
phủ ở Mĩ, châu Âu và châu Á. Một chuyển biến gần đây hướng sang các phòng thí
nghiệm quốc gia lớn hơn đã mang lại nhiều tiến bộ khoa học, nhưng cũng mang
đến nguy cơ cả khoa học lẫn công nghệ trên khó tiếp cận hơn với các nhà khoa học
ở trường đại học, những người làm việc ở xa các trung tâm công nghệ lớn. Do đó,
điều cần thiết là phải đảm bảo khách hàng và cơ sở ủng hộ cho công nghệ trên vẫn
quan tâm đến các ứng dụng quy mô nhỏ của FEL, chứ không chỉ tập trung vào
những laser công suất cao và bước sóng ngắn.
Cuối cùng, có những lo ngại rằng các nhà cung cấp công nghệ nền tảng FEL –
bao gồm cả vi sóng công suất cao, chân không cực cao và các chất liệu quang đặc
biệt – có lẽ không thể tiếp tục triển khai những sản phẩm này, vì sự suy giảm thị
trường công nghiệp đối với chúng. Các chính phủ sáng suốt cần có những động thái
nhằm đảm bảo rằng bí quyết trên đó những tiềm năng quốc gia quan trọng này
hoạt động không bị mai một.
nguon tai.lieu . vn
