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.
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.
Physics World, tháng 5/2010
