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,laserelectrontự do (FEL) hoạt động trên nguyên tắc phátxạ cảmứng để khuếch đại một chùm ánhsáng khi nó đi quamột vùng không gian. Nói cáchkhác, khi các electronchuyển động từ một trạng tháinăng lượngcao sang trạng thái năng lượng thấp, thì chúng phát ra các photonánh sáng có bước sóng đồng loạtgiống hệt nhau và chuyển độngcùng hướng với nhau.Nhưng không giống như cácchuyển tiếp giữacác trạng tháiđiện tử liên kết trongnhững laser khác,FEL khai thác một trong nhữngkhám phá chủ chốt khác của Einstein – thuyết tương đối đặc biệt– để cungcấp bức xạ điện từ tùy chỉnhtừ một chùm electrontự do tương đối tính khichúng chuyển độngqua một từ trường tuầnhoàn nằm ngangtrong không gian. Theo thuyết tương đối đặcbiệt, các electron nhận một trường như vậy là một sóngmạnhđang lantruyền trong hệ quy chiếu nghỉ của chúng,với một bước sóng giảm tỉ lệ vớiđộngnăng của chúng.Các photon bị tán xạ bởi các electronphát ra từ xungnày theohướng chuyểnđộng của chúng bị giảmbước sóngmột lần nữa khi nhìn từ hệ quy chiếu phòng thínghiệm. Kết quả là các electronvới động năng 50 MeVphát rabức xạ hồng ngoại gần khi chuyển động qua một trườngcó chukì tuần hoàn 2 cm. Ánhsángcó bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơncó thể được tạo ra đơn giản bằng cách biến đổi năng lượng củacác electron.FEL có thể cung cấp đều đặn ánh sáng laservới khoảng 1%công suấttức thời của chùm electron –hàng megawatthoặc lớn hơn – vàđộ dài xungcủa chúngcó thể biếnthiên từ chưa tới một picogiây đến hoạt động sóng liên tục hoàntoàn. Sự kết hợp pha đặcbiệt cũng có thể thu đượcqua việcsử dụng các hệ cộng hưởng giao thoa thích hợp. Những nỗ lựcnghiêm túcnhằm khảo sátcác ứng dụngkhả dĩ của FELđã bắt đầu không bao lâu saukhicác đồng nghiệpvà tôi tại trườngđại học Stanford chứng minhthành côngcác bộ khuếch đại và daođộng tử FEL bướcsóng quang đầu tiên,tương ứng vàonăm1974 và 1976.Tâmđiểm tậptrungkể từ đó là sử dụngFEL để làm những việc khóthực hiệnbằng những phương tiệnkhác. Có lẽ ứng dụngđượcbiết tới nhiều nhất là phátra các xungtiaX tùy chỉnh,côngsuất đỉnh cao,kết hợp, cỡ femto giây,ở nănglượngtrên1 keV dể thực hiệncác nghiên cứu cấu trúc và chức năngphân giải thời giancủa từngphântử phức tạp vàđang tương tác. FEL tia X đầu tiên như vậy hiện đang hoạt độngtạiPhòng thí nghiệm Máy giatốc quốc gia SLACở Mĩ, Laser TiaX ElectronTự do châu Âu sắp đi vào hoạt độngtại phòngthí nghiệm DESY ở Đức vào năm 2014. Ngay cả với những ứngdụng trong đó các loại laserkhác cóthể là đáp ứng đủ, thì tiện lợi lớn của các FELlà chúng thật linh hoạt. Do đó, FELtỏ ra vô giá trong thực hiện nghiêncứu thămdò khicác yêu cầu của mộtứngdụng đặcbiệt chưa được xác định,hoặc khimột đội nghiên cứukhôngcó thời gianhay tiền của để pháttriển mộthệ laserchuyên dụng mới cần thiết cho ứng dụng đó.Các FELxung ngắn, công suất đỉnh cao,thế hệ thứ ba, đã pháttriển tiên phongtrong thập niên 1980, đặc biệt có ích cho việc phát triển những kĩ thuật phẫu thuật mới vàcho việc khảo sát các mức năng lượng, cấu trúcdải vàđộ linh động của các electronvà lỗ trông trong những chất liệuđiện tử và quanghọcmới, mà không phải lo ngạivề những xunglaserthămdò kéodài có thể làm hỏng mấtvật liệu. Các hệ FEL công suất trung bình-caođược phát triển gần đây hơn đã mở rộng những khả năng này để baogồm cả nghiên cứu về những ứng dụng lasertiềm năng chocác quá trình xử lí vậtliệu ở quy mô côngnghiệp. Có tầm quantrọngít ra ngang ngửa là những cải tiến trongcông nghệ cảm biến từ xa dùng cho nghiên cứu biến đổi khí hậu đượcthựchiện bởi khả năng tùy chỉnh rộng,công suấtđỉnh cao, và sự kết hợp thời gian vàkhônggianngoại hàng mà các FELđem lại ở những bướcsóng khả kiến vàhồng ngoại. Tuy nhiên, có một vài đámmây mới trên đường chân trời của nghiên cứu FEL. Về mặt lịch sử, một nghiên cứu như vậy chủ yếu diễn raở một vài phòng thí nghiệmcỡ nhỏ vàtrungbình tại các trường đại học và phòng thí nghiệm của chính phủ ở Mĩ, châuÂu vàchâu Á. Một chuyểnbiến gần đây hướng sang các phòngthí nghiệmquốc gialớn hơn đã manglại nhiều tiến bộ khoahọc, nhưngcũng mang đến nguycơ cả khoahọc lẫn công nghệ trênkhó tiếp cận hơn vớicác nhà khoa học ở trường đại học, những người làm việc ở xa các trungtâm 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 cácứng dụng quy mô nhỏ của FEL, chứ không chỉ tập trung vào những lasercông suất cao và bướcsóng ngắn. Cuối cùng, có những lo ngạirằng các nhà cung cấp công nghệ nền tảng FEL – bao gồm cả visóng công suất cao,chân không cựccao và các chất liệu quangđặc biệt – có lẽ không thể tiếp tục triển khai nhữngsảnphẩm này, vì sự suy giảmthị trường công nghiệpđối với chúng. Các chính phủ sáng suốt cần có những độngthái nhằmđảm bảorằng bí quyết trên đó nhữngtiềm năng quốc gia quantrọngnày hoạt động không bị maimột. . 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. phòngthí nghiệmquốc gialớn hơn đã manglại nhiều tiến bộ khoahọc, nhưngcũng mang đến nguycơ cả khoahọc lẫn công nghệ trênkhó tiếp cận hơn vớicác nhà khoa học ở trường đại học, những người làm việc ở xa các trungtâm. cách biến đổi năng lượng củacác electron.FEL có thể cung cấp đều đặn ánh sáng laservới khoảng 1%công suấttức thời của chùm electron –hàng megawatthoặc lớn hơn – vàđộ dài xungcủa chúngcó thể biếnthiên