Tương lai của khoa học hậu laser (5)

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tương lai của khoa học hậu laser (5) Tương lai của khoa học hậu laser (5)laser electron tự doJohn 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 tắcphát xạ cảm ứng để khuếch đại một chùm ánh sáng khi nó đi qua một vùng khônggian. Nói cách khác, khi các electron chuyển động từ một trạng thái năng lượng caosang trạng thái năng lượng thấp, thì chúng phát ra các photon ánh sáng có bướcsóng đồng loạt giống hệt nhau và chuyển động cùng hướng với nhau. Nhưng khônggiống như các chuyển tiếp giữa các trạng thái điện tử liên kết trong những laserkhác, 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 chùmelectron tự do tương đối tính khi chúng chuyển động qua một từ trường tuần hoànnằm ngang trong không gian. Theo thuyết tương đối đặc biệt, các electron nhận một trường như vậy làmột sóng mạnh đang lan truyền trong hệ quy chiếu nghỉ của chúng, với một bướcsóng giảm tỉ lệ với động năng của chúng. Các photon bị tán xạ bởi các electron phátra từ xung này theo hướng chuyển động của chúng bị giảm bước sóng một lần nữakhi nhìn từ hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Kết quả là các electron với động năng50 MeV phát ra bức xạ hồng ngoại gần khi chuyển động qua một trường có chu kìtuần hoàn 2 cm. Ánh sáng có bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn có thể được tạo rađơn giản bằng cách biến đổi năng lượng của các electron. FEL có thể cung cấp đềuđặn ánh sáng laser với khoảng 1% công suất tức thời của chùm electron – hàngmegawatt hoặc lớn hơn – và độ dài xung của chúng có thể biến thiên từ chưa tớimột pico giây đến hoạt động sóng liên tục hoàn toàn. Sự kết hợp pha đặc biệt cũngcó 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 bắtđầu không bao lâu sau khi các đồng nghiệp và tôi tại trường đại học Stanfordchứng minh thành công các bộ khuếch đại và dao động tử FEL bước sóng quangđầu tiên, tương ứng vào năm 1974 và 1976. Tâm điểm tập trung kể từ đó là sửdụng FEL để làm những việc khó thực hiện bằng những phương tiện khác. Có lẽứng dụng được biết tới nhiều nhất là phát ra các xung tia X tùy chỉnh, công suấtđỉnh cao, kết hợp, cỡ femto giây, ở năng lượng trên 1 keV dể thực hiện các nghiêncứu cấu trúc và chức năng phân giải thời gian của từng phân tử phức tạp và đangtương tác. FEL tia X đầu tiên như vậy hiện đang hoạt động tại Phòng thí nghiệmMáy gia tốc quốc gia SLAC ở Mĩ, Laser Tia X Electron Tự do châu Âu sắp đi vào hoạtđộng 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 ứngđủ, thì tiện lợi lớn của các FEL là chúng thật linh hoạt. Do đó, FEL tỏ ra vô giá trongthực hiện nghiên cứu thăm dò khi các yêu cầu của một ứng dụng đặc biệt chưađược xác định, hoặc khi một đội nghiên cứu không có thời gian hay tiền của đểphát triển một hệ laser chuyên dụng mới cần thiết cho ứng dụng đó. Các FEL xungngắn, công suất đỉnh cao, thế hệ thứ ba, đã phát triển tiên phong trong thập niên1980, đặc biệt có ích cho việc phát triển những kĩ thuật phẫu thuật mới và cho việckhảo sát các mức năng lượng, cấu trúc dải và độ linh động của các electron và lỗtrông trong những chất liệu điện tử và quang học mới, mà không phải lo ngại vềnhững 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 mởrộng những khả năng này để bao gồm cả nghiên cứu về những ứng dụng laser tiềmnăng cho các quá trình xử lí vật liệu ở quy mô công nghiệp. Có tầm quan trọng ít rangang ngửa là những cải tiến trong công nghệ cảm biến từ xa dùng cho nghiên cứubiến 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 nhữngbước sóng khả kiến và hồng ngoại. Tuy nhiên, có một vài đám mây mới trên đường chân trời của nghiên cứuFEL. Về mặt lịch sử, một nghiên cứu như vậy chủ yếu diễn ra ở một vài phòng thínghiệm cỡ nhỏ và trung bình tại các trường đại học và phòng thí nghiệm của chínhphủ ở Mĩ, châu Âu và châu Á. Một chuyển biến gần đây hướng sang các phòng thínghiệm quốc gia lớn hơn đã mang lại nhiều tiến bộ khoa học, nhưng cũng mangđến nguy cơ cả khoa học lẫn công nghệ trên khó tiếp cận hơn với các nhà khoa họcở 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 vẫnquan tâm đến các ứng dụng quy mô nhỏ của FEL, chứ không chỉ tập trung và ...