Ứng dụng của laser điện tử tự do

FEL sử dụng tia electron bay trong chân không với vận tốc gần bằng vận tốc ánhsáng c = 2,9979 x 108 m/s với năng lượng từ MeV mega electron-volt đến GeV gigaelectron-volt, thông qua một

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN VẬT LÝ LASER



BÁO CÁO LASER ĐIỆN TỬ TỰ DO

GVBM: PGS.TS TRẦN MINH THÁI

Mục lục Trang

I/ Giới thiệu sơ lược về Laser điện tử tự do 3

1 Lịch sử nghiên cứu 3

2 Nguyên lý 4

3 Đặc điểm 6

4 Phân loại 7

II/ Ứng dụng của Laser điện tử tự do 8

1 Ứng dụng trong lĩnh vực y học 8

2 Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự 13

III/ Tài liệu tham khảo 19

2

I/ Giới thiệu sơ lược về Laser điện tử tự do

Laser điện tử tự do hay còn gọi là Laser electron tự do (tiếng Anh là Free ElectronLaser, viết tắt FEL) là một loại laser có khả năng đổi màu (tunability) và tính phát quangđồng pha (coherent radiation) theo một nguyên tắc chung từ sóng mi-li-mét đến quangtuyến X FEL khác với các loại laser thường ở chỗ FEL dùng electron không ràng buộcvào nguyên tử hay phân tử nào, cho nên có tên electron tự do

FEL sử dụng tia electron bay trong chân không với vận tốc gần bằng vận tốc ánhsáng (c = 2,9979 x 108 m/s) với năng lượng từ MeV (mega electron-volt) đến GeV (gigaelectron-volt), thông qua một chuỗi nam châm có từ trường dạng cos với số sóng ku,

B = B0cos(kuz); z là vị trí trong chuỗi nam châm theo hướng đi của electron

1. Lịch sử nghiên cứu :

Hơn 40 năm trước, ánh sáng kết hợp đầu tiên màu đỏ đã được tạo ra bởi một laserruby Từ thời điểm đó, một phát triển khoa học và công nghệ ấn tượng, chuyển đổi mộtthử nghiệm trong phòng thí nghiệm thành một thiết bị phổ biến, đã được sử dụng rộngrãi trong tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật trong cuộc sống hàng ngày

Vào năm 1976, Laser electron tự do đã được phát minh bởi John Madey tại Đạihọc Stanford Phát minh này xuất phát từ nghiên cứu thực hiện bởi Hans Motz và đồngnghiệp của mình khi họ tạo một Undulator tại Stanford vào năm 1953 bằng cách sửdụng cấu hình wiggler Madey đã sử dụng một chùm tia điện tử 24 MeV và dài 5mwiggler để khuếch đại tín hiệu Ngay sau đó, các phòng thí nghiệm khác kết hợp vớimáy gia tốc bắt đầu phát triển loại laser này

2. Nguyên lý :

Sơ đồ đại diện của một undulator , là cốt lõi của một laser electron tự do.

Để làm thành một laser (Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation), chúng ta cần phải khuếch đại ánh sáng bằng phương pháp phát quangkích thích (stimulated emission)

Dưới ảnh hưởng của từ trường dạng cos, electron bị lực đẩy Lorentz và chạytheo quỹ đạo cũng có dạng cos, x = x0cos(kuz) Electron lắc lư qua lại (wiggle) trong máygợn sóng sẽ phát sóng điện từ (electromagnetic wave) nghĩa là electron phát chùm ánhsáng cùng hướng đi với electron và thẳng góc với hướng lắc lư

Khác với tia laser thông thường được tạo ra bằng cách sử dụng các lăng kínhngược và vật liệu đặc biệt để tập trung cường độ ánh sáng, việc tạo ra chùm tia laser điện

tử có bản chất là một chùm electron được gia tốc tới gần tốc độ ánh sáng, khi đi qua một

bộ dao động từ trường ngang Bộ dao động này được tạo ra bằng cách sắp xếp các namchâm xoay cực trong một bộ phận cộng hưởng quang học, dọc theo đường đi của chùmtia điện tử Các xung từ trường ngang trong hộp cộng hưởng quang học bẻ cong chùm tiaelectron theo quỹ đạo hình sin Ở đó, sự tăng tốc của các electron dọc theo hộp cộnghưởng quang học là kết quả của việc giải phóng các photon Sự tương tác giữa cácelectron và hộp cộng hưởng quang học tạo ra chùm tia laser điện tử Bộ phận này hoạtđộng như một máy gia tốc hạt, làm cho chùm tia điện tử mạnh hơn Cường độ của chùmtia laser điện tử có thể được điều chỉnh thông qua cường độ của chùm tia electron và tốc

độ của chùm tia trong hộp cộng hưởng quang học

4

# Nói gọn hơn thì cơ chế hoạt động của chiếc Laser điện tử tự do được trình bày tóm tắt như sau :

+ Máy phát electron sẽ đưa các electron tự do vào máy gia tốc hạt

+ Máy gia tốc hạt tăng tốc cho các electron đến gần tốc độ ánh sáng (300.000km/s).+ Sau đó các electron chạy qua một loạt các nam châm điện xoay chiều

+ Các electron bị tác động bởi lực từ, khiến chúng bị dao động qua lại và tạo ra ánh sáng với bước sóng cụ thể

+ Khoảng cách giữa các nam châm ảnh hướng đến bước sóng phát ra Do đó thay đổi khoảng cách giữa các nam châm có thể kiểm soát bước sóng

+ FEL có thể điều chỉnh bước sóng từ tia hồng ngoại đến tia X quang

# Sự dính chùm electron và sự đồng pha.

Trong laser thường, một lượng tử ánh sáng kích thích electron trên tầng năng lượngcao rơi xuống tầng năng lượng thấp, và mỗi electron rơi xuống phát ra một lượng tử cùngmàu và cùng pha Nếu có nhiều electron ở tầng năng lượng được kích thích để phóng ranhiều lượng tử ánh sáng cùng pha, ánh sáng sẽ được khuếch đại và có tính đồng pha

Trên không gian pha hai chiều này, mỗi electron là một điểm đại diện cho mộtnăng lượng và một pha Nhiều electron lập thành một tổ hợp (ensemble) trên không gian

hai chiều Trước khi vào máy gợn sóng, tất cả electron ở cùng một năng lượng nhưng ởnhiều pha khác nhau Có nghĩa là, trong một không gian pha bằng độ dài sóng, electronnằm trên cùng một năng lượng nhưng có nhiều pha khác nhau từ -π cho đến +π (mỗi độdài sóng = 2π)

Sau khi bị ánh sáng tác dụng, nửa electron sẽ mất năng lượng và nửa khác tăngnăng lượng tùy thuộc vào pha của electron so với sóng ánh sáng Trong mỗi độ dài sóng,electron có pha âm từ -π đến 0 được tăng năng lượng - quỹ đạo của chúng đi lên nănglượng cao - và electron có pha dương từ 0 đến +π bị mất năng lượng - quỹ đạo của chúng

đi xuống năng lượng thấp

Một lúc sau, electron ở phía hậu (pha -π đến 0) với năng lượng cao sẽ bay nhanh

và bắt kịp với electron ở phía trước (pha 0 đến +π) với năng lượng thấp và bay chậm hơn.Quỹ đạo trong không gian pha làm cho electron dính chùm nhau và tập tụ gần pha = 0 (ởgiữa độ dài sóng) Vì hiện tượng này xảy ra mỗi độ dài sóng, electron sẽ dính chùm lạithành từng chùm với khoảng cách bằng một độ dài sóng của ánh sáng

Khi những electron dính chùm vi tính này phát quang, chúng sẽ phát quang đồngpha và bằng cường độ rất lớn, sự khuếch đại ánh sáng trong một FEL có thể lên đến 106 -

1010

6

3. Đặc điểm :

Một laser electron tự do (FEL), là một loại laser có cùng các thuộc tính quang họcgiống như laser thông thường như phát ra một chùm tia gồm các bức xạ điện từ mạch lạc

có thể đạt công suất cao

Không giống như laser khí, lỏng, hoặc laser rắn như laser diode, trong đó các electronđược kích thích trong trạng thái nguyên tử hoặc phân tử bị ràng buộc, laser electron tự do

sử dụng một chùm tia điện tử tương đối tính di chuyển tự do qua một từ tính

FEL dùng electron không bị buộc vào tầng năng lượng của vật chất nhưng electron cónăng lượng rất cao từ vài MeV (mega electron-volt) đến vài GeV (giga electron-volt).Thay vì dùng lượng tử ánh sáng, FEL dùng điện trường của ánh sáng (light's electricfield) để tác dụng vào quỹ đạo electron trong không gian pha (phase space) và thay đổinăng lượng của electron

Laser electron tự do có dải tần số rộng nhất so với bất kỳ loại laser, dao động trongbước sóng từ lò vi sóng, thông qua bức xạ radio và hồng ngoại, phổ khả kiến, tia cực tím,

và X-quang

4. Phân loại :

Low FEL và High FEL

II/ Ứng dụng của Laser điện tử tự do

Ngày nay, nhờ áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại mà đời sống

chúng ta ngày càng được cải thiện, chất lượng được nâng cao Và một công nghệ tiên tiến

đã ra đời trong thế kỷ 20 là Laser với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Tiêubiểu là trong ngành y tế với nhiều thiết bị hiện đại phục vụ cho việc chẩn đoán, điều trị

Các ứng dụng ban đầu của laser điện tử tự do được sử dụng trong lĩnh vực y tế đểphẫu thuật giác mạc cho các bệnh nhân bị tật khúc xạ Từ năm 2009, các ứng dụng choquân sự cũng bắt đầu được nghiên cứu bởi các nước phát triển, theo báo đài thì hải quân

Mỹ dự định sẽ đưa FEL vào sử dụng vào năm 2018

1. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế :

Năm 1994 Nghiên cứu của Tiến sĩ Glenn Edwards và các đồng nghiệp tại Trungtâm FEL của Đại học Vanderbilt phát hiện ra rằng các mô mềm như da, giác mạc, và mônão có thể được cắt giảm, hoặc ablated (cắt bỏ) khi sử dụng các bước sóng hồng ngoạixung quanh FEL 6.45 micromet

Năm 1999 Ca phẫu thuật đầu tiên sử dụng laser electron tự do trên con người đượctiến hành bởi Tiến sĩ Michael Copeland và Tiến sĩ Pete Konrad của ĐH Vanderbilt, họ đãthực hiện ba ca phẫu thuật cắt bỏ khối u ở màng não cho bệnh nhân

Bắt đầu từ năm 2000, Tiến sĩ Karen Joos và Tiến sĩ Louise Mawn thực hiện thànhcông năm ca phẫu thuật liên quan đến việc cắt vỏ bọc của thần kinh thị giác

10

Từ những thành công đó, những nỗ lực tạo ra laser có bước sóng từ 6-7 micromet

để giảm thiểu đến mức nhỏ nhất những ảnh hưởng đối với mô mềm xung quanh vùng xử

lý càng được thúc đẩy nghiên cứu

Tại cuộc họp thường niên năm 2006 của Hiệp Hội Laser trong Y học và Phẫu thuật

ở Mỹ (American Society for Laser Medicine and Surgery - ASLMS), Tiến sĩ RoxAnderson thuộc Phòng thí nghiệm Wellman về Photomedicine của trường Y Harvard vàBệnh viện Đa khoa Massachusetts đã báo cáo về ứng dụng y tế của laser electron tự do cóthể làm tan chảy chất béo trong cơ thể mà không làm hại da nằm phía trên Được biết, tạibước sóng hồng ngoại, tia laser làm nước ở trong mô ấm lên, nhưng ở các bước sóngtương ứng với 915, 1210 và 1720 nm, chất béo dưới bề mặt da bị làm nóng mạnh hơn rấtnhiều so với nước

# Phẫu thuật điều trị tật khúc xạ ở mắt

Tuy ứng dụng Laser ở nước ta còn ít, đa số thiết bị còn phải nhập ngoại nhưng ta

đã tiếp thu được nhiều thành tựu Điển hình nhất là phẫu thuật bằng Laser Excimer trong

điều trị tật khúc xạ của mắt

Qua nghiên cứu, người ta nhận thấy laser excimer được tạo ra từ Argon Fluorine(ArF) có bước sóng 193 nm thích hợp cho việc phẫu thuật khúc xạ do có các đặc điểmsau như: khả năng xuyên mô xung quanh thấp, không gây đột biến gen, khả năng bị nướchấp thụ mạnh…Nên từ năm 1986, Laser Excimer đã được đưa vào sử dụng để điều trị cáctật khúc xạ của mắt Từ đó nhiều thế hệ máy và kỹ thuật phẫu thuật đã được ra đời ngàycàng hiện đại, hoàn thiện

Hiện nay có 3 phương pháp phẫu thuật chính:

+ PRK (Photorefractive keratectomy): Đầu tiên cạo bỏ lớp biểu mô giác mạc(lớp này có thể tự tái tạo), sau đó chiếu tia laser trực tiếp lên giác mạc để phục hồi độcong giác mạc tuỳ theo mức độ mỗi bệnh nhân, từ đó điều trị được tật khúc xạ mắt

+ LASEK (Laser Epithelial Keratomileusis): Lớp biểu mô giác mạc được làm

“mềm, lỏng “ ra rồi bóc 1 phần lên để chiếu laser lên giác mạc Sau đó đậy lớp biểu môlên, sẽ tự phục hồi như cũ

+ LASIK (Laser – Assisted In Situ Keratomileusis): Đầu tiên dùng dao cắt viphẫu tạo vạt biểu mô mỏng hình tròn ở trung tâm giác mạc, sau đó được lật lên rồi chiếuchùm tia laser lên nhu mô giác mạc để làm bốc hơi 1 phần mô giác mạc nhờ đó phục hồilại được độ cong giác mạc với mức độ phù hợp cho từng bệnh nhân Cuối cùng bề mặtgiác mạc được rửa sạch và vạt giác mạc được đậy lại

Kỹ thuật Lasik là phẫu thuật tiên tiến, hiện đại, phổ biến nhất hiện nay vì có độchính xác, an toàn, hiệu quả cao, kết quả ổn định Thời gian phẫu thuật chỉ khoảng từ 7 –

10 phút, thời gian chiếu laser khoảng 30 – 40 giây

12

Hệ thống máy LASER EC – 5000 CXIII

Đo địa đồ giác mạc (OPD Scan)

Dụng cụ cắt vạt giác mạc

Thao tác làm vạt giác

mạc và chiếu laser.

14

Chiếu tia laser điều chỉnh độ khúc xạ

2. Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự :

Vì Laser điện tử dự do có thể điều chỉnh được tần số, bước sóng và năng lượng …nên thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự Các nước phát triển đánhgiá nó có tầm quan trọng lớn và suy đoán rằng FEL sẽ mang đến những ứng dụng tiến bộvượt bậc cho các loại vũ khí công nghệ cao

Với laser thông thường, cần tập trung cường độ ánh sáng để nung nóng một vật vàphá hủy chúng Còn bản chất hủy diệt của chùm tia laser điện tử là kết hợp giữa cường độánh sáng với sự bắn phá của electron nhằm phá vỡ liên kết vật liệu mục tiêu Thời gian đểphá hủy mục tiêu cũng nhanh hơn thông qua việc điều chỉnh cường độ của chùm tia laserđiện tử

Ứng dụng các thành tựu của các kim phun điện tử mới, làm cho chùm tia điện tửđược duy trì trong thời gian lâu hơn, đồng nghĩa với cường độ của chùm tia laser điện tử

sẽ mạnh hơn Thời gian ngắt quãng giữa hai lần bắn cũng ngắn hơn so với laser thôngthường

Hiện tại, công suất của chùm tia laser điện tử được tạo ra đạt được 14kW Các nhànghiên cứu đang tích cực làm việc để tăng công suất của chùm tia laser điện tử lên100kW Khi đó FEL sẽ trở thành một vũ khí phòng thủ tầm gần hiệu quả Thậm chí,tương lai các nhà khoa học đang hy vọng tăng cường độ chùm tia laser điện tử lên 1MW,lúc đó hệ thống sẽ có khả năng tiêu diệt các mục tiêu xa hơn Nếu các thử nghiệm thànhcông, đây sẽ là một bước đột phá của vũ khí công nghệ cao

Với một chùm tia laser điện tử có tốc độ của ánh sáng, năng lượng của dòng điệnlớn, nó sẽ có khả năng phá hủy bất kỳ mục tiêu nào trong thời gian ngắn, hơn các loại vũkhí thông thường hiện nay

Công nghệ FEL được Hải quân Hoa Kỳ đánh giá cao như một ứng cử viên tốt choviệc nghiên cứu máy bay chống tên lửa và vũ khí năng lượng lớn

16

Hải quân Mỹ đã ký hợp đồng với Boeing (tập đoàn sản xuất vũ khí lớn nhất thếgiới trước năm 2008) để sử dụng Free Electron Laser cho kế hoạch chế tạo con tàu với vũkhí siêu chính xác có khã năng tiêu diệt mục tiêu nhanh chóng và gây thiệt hại tối thiểukhu vực xung quanh.

Năm 1977, Không quân Mỹ đã phát triển một loại tia laser hóa học (COIL) vớinguồn năng lượng được cung cấp từ một phản ứng hóa học và môi trường là các phân tửi-ốt Nó hoạt động theo cớ chế sau:

- Một phản ứng hóa học xảy ra giữa khí clo và hỗn hợp chất lỏng hydrogen peroxide(H2O2) và kali hydroxit (KOH)

- Phản ứng tạo ra các nguyên tử oxy đơn

- Các nguyên tử oxy đơn cung cấp năng lượng cho phân tử I-ốt và khiến chúng phát

ra ánh sáng với bước sóng 1,3 micromet

COIL đang được áp dụng trong dự án Airbone laser của Không quân Mỹ, chúng ta

sẽ tìm hiểu kỹ hơn trong phần tiếp theo

# Dự án Airborne Laser :

Trong chiến tranh vùng Vịnh, lực lượng của Saddam Hussein đã bắn các tên lửađạn đạo SCUD vào Isarel và các căn cứ của Mỹ ở Trung Đông Các tên lửa Patriot đãđược sử dụng để đánh chặn các tên lửa của Hussein, bảo vệ các căn cứ của Mỹ Các tênlửa đánh chặn chỉ có thể phá hủy tên lửa đạn đạo ở cự ly gần, khi chúng gần đến mục tiêu

do đó vần có rát nhiều rủi ro Dự án Airborne Laser (ABL) được thiết kế để vô hiệu hóacác tên lửa đạn đạo ngay khi chúng vừa được phóng lên không trung

18

ABL được đặt trong một máy bay Boeing747 cải tiến, bao gồm bốn máy phát tia laser COIL, cảm biến quang học và các thiết bị giúp theo dõi, xác định vị trí của các tên lửa đạn đạo Chúng hoạt động theo cơ chế sau:

- Cảm biến hồng ngoại sẽ phát hiện dấu hiệu nhiệt của một vụ phóng tên lửa, sau đótruyền thông tin đến một thiết bị có nhiệm vụ theo dõi

- Thiết bị theo dõi thu thập thông tin liên tục về quả tên lửa đạn đạo (khoảng cách, tốc độ, độ cao …)

- Các máy tính bắt đầu tính toán và đưa ra vị trí tốt nhất để tấn công

- Một tia laser xác định được chiếu vào mục tiêu, đo sự biến động khí quyển giữa ABL và mục tiêu

- Hệ thống quang học của ABL sẽ tính toán để bù đắp sự biến động khí quyển