Ứng dụng của laser điện tử tự do

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 I/ II/ III/ Trang Giới thiệu sơ lược Laser điện tử tự Lịch sử nghiên cứu Nguyên lý Đặc điểm Phân loại Ứng dụng Laser điện tử tự Ứng dụng lĩnh vực y học Ứng dụng lĩnh vực quân 13 Tài liệu tham khảo 19 I/ Giới thiệu sơ lược Laser điện tử tự Laser điện tử tự hay gọi Laser electron tự (tiếng Anh Free Electron Laser, viết tắt FEL) loại laser có khả đổi màu (tunability) tính phát quang đồng pha (coherent radiation) theo nguyên tắc chung từ sóng mi-li-mét đến quang tuyến X FEL khác với loại laser thường chỗ FEL dùng electron không ràng buộc vào nguyên tử hay phân tử nào, có tên electron tự FEL sử dụng tia electron bay chân không với vận tốc gần vận tốc ánh sáng (c = 2,9979 x 10 m/s) với lượng từ MeV (mega electron-volt) đến GeV (giga electron-volt), thông qua chuỗi nam châm có từ trường dạng cos với số sóng k u, B = B0cos(kuz); z vị trí chuỗi nam châm theo hướng electron Lịch sử nghiên cứu : Hơn 40 năm trước, ánh sáng kết hợp màu đỏ tạo laser ruby Từ thời điểm đó, phát triển khoa học công nghệ ấn tượng, chuyển đổi thử nghiệm phòng thí nghiệm thành thiết bị phổ biến, sử dụng rộng rãi tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật sống hàng ngày Vào năm 1976, Laser electron tự phát minh John Madey Đại học Stanford Phát minh xuất phát từ nghiên cứu thực Hans Motz đồng nghiệp họ tạo Undulator Stanford vào năm 1953 cách sử dụng cấu hình wiggler Madey sử dụng chùm tia điện tử 24 MeV dài 5m wiggler để khuếch đại tín hiệu Ngay sau đó, phòng thí nghiệm khác kết hợp với máy gia tốc bắt đầu phát triển loại laser Nguyên lý : Sơ đồ đại diện undulator , cốt lõi laser electron tự Để làm thành laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), cần phải khuếch đại ánh sáng phương pháp phát quang kích thích (stimulated emission) Dưới ảnh hưởng từ trường dạng cos, electron bị lực đẩy Lorentz chạy theo quỹ đạo có dạng cos, x = x 0cos(kuz) Electron lắc lư qua lại (wiggle) máy gợn sóng phát sóng điện từ (electromagnetic wave) nghĩa electron phát chùm ánh sáng hướng với electron thẳng góc với hướng lắc lư Khác với tia laser thông thường tạo cách sử dụng lăng kính ngược vật liệu đặc biệt để tập trung cường độ ánh sáng, việc tạo chùm tia laser điện tử có chất chùm electron gia tốc tới gần tốc độ ánh sáng, qua dao động từ trường ngang Bộ dao động tạo cách xếp nam châm xoay cực phận cộng hưởng quang học, dọc theo đường chùm tia điện tử Các xung từ trường ngang hộp cộng hưởng quang học bẻ cong chùm tia electron theo quỹ đạo hình sin Ở đó, tăng tốc electron dọc theo hộp cộng hưởng quang học kết việc giải phóng photon Sự tương tác electron hộp cộng hưởng quang học tạo chùm tia laser điện tử Bộ phận hoạt động máy gia tốc hạt, làm cho chùm tia điện tử mạnh Cường độ chùm tia laser điện tử điều chỉnh thông qua cường độ chùm tia electron tốc độ chùm tia hộp cộng hưởng quang học # Nói gọn chế hoạt động Laser điện tử tự trình bày tóm tắt sau : + Máy phát electron đưa electron tự vào máy gia tốc hạt + Máy gia tốc hạt tăng tốc cho electron đến gần tốc độ ánh sáng (300.000km/s) + Sau electron chạy qua loạt nam châm điện xoay chiều + Các electron bị tác động lực từ, khiến chúng bị dao động qua lại tạo ánh sáng với bước sóng cụ thể + Khoảng cách nam châm ảnh hướng đến bước sóng phát Do thay đổi khoảng cách nam châm kiểm soát bước sóng + FEL điều chỉnh bước sóng từ tia hồng ngoại đến tia X quang # Sự dính chùm electron đồng pha Trong laser thường, lượng tử ánh sáng kích thích electron tầng lượng cao rơi xuống tầng lượng thấp, electron rơi xuống phát lượng tử màu pha Nếu có nhiều electron tầng lượng kích thích để phóng nhiều lượng tử ánh sáng pha, ánh sáng khuếch đại có tính đồng pha Trên không gian pha hai chiều này, electron điểm đại diện cho lượng pha Nhiều electron lập thành tổ hợp (ensemble) không gian hai chiều Trước vào máy gợn sóng, tất electron lượng nhiều pha khác Có nghĩa là, không gian pha độ dài sóng, electron nằm lượng có nhiều pha khác từ -π +π (mỗi độ dài sóng = 2π) Sau bị ánh sáng tác dụng, nửa electron lượng nửa khác tăng lượng tùy thuộc vào pha electron so với sóng ánh sáng Trong độ dài sóng, electron có pha âm từ -π đến tăng lượng - quỹ đạo chúng lên lượng cao - electron có pha dương từ đến +π bị lượng - quỹ đạo chúng xuống lượng thấp Một lúc sau, electron phía hậu (pha -π đến 0) với lượng cao bay nhanh bắt kịp với electron phía trước (pha đến +π) với lượng thấp bay chậm Quỹ đạo không gian pha làm cho electron dính chùm tập tụ gần pha = (ở độ dài sóng) Vì tượng xảy độ dài sóng, electron dính chùm lại thành chùm với khoảng cách độ dài sóng ánh sáng Khi electron dính chùm vi tính phát quang, chúng phát quang đồng pha cường độ lớn, khuếch đại ánh sáng FEL lên đến 10 1010 Đặc điểm : Một laser electron tự (FEL), loại laser có thuộc tính quang học giống laser thông thường phát chùm tia gồm xạ điện từ mạch lạc đạt công suất cao Không giống laser khí, lỏng, laser rắn laser diode, electron kích thích trạng thái nguyên tử phân tử bị ràng buộc, laser electron tự sử dụng chùm tia điện tử tương đối tính di chuyển tự qua từ tính FEL dùng electron không bị buộc vào tầng lượng vật chất electron có lượng cao từ vài MeV (mega electron-volt) đến vài GeV (giga electron-volt) Thay dùng lượng tử ánh sáng, FEL dùng điện trường ánh sáng (light's electric field) để tác dụng vào quỹ đạo electron không gian pha (phase space) thay đổi lượng electron Laser electron tự có dải tần số rộng so với loại laser, dao động bước sóng từ lò vi sóng, thông qua xạ radio hồng ngoại, phổ khả kiến, tia cực tím, X-quang Phân loại : Low FEL High FEL II/ Ứng dụng Laser điện tử tự Ngày nay, nhờ áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật đại mà đời sống ngày cải thiện, chất lượng nâng cao Và công nghệ tiên tiến đời kỷ 20 Laser với nhiều ứng dụng lĩnh vực khác Tiêu biểu ngành y tế với nhiều thiết bị đại phục vụ cho việc chẩn đoán, điều trị Các ứng dụng ban đầu laser điện tử tự sử dụng lĩnh vực y tế để phẫu thuật giác mạc cho bệnh nhân bị tật khúc xạ Từ năm 2009, ứng dụng cho quân bắt đầu nghiên cứu nước phát triển, theo báo đài hải quân Mỹ dự định đưa FEL vào sử dụng vào năm 2018 Ứng dụng lĩnh vực y tế : Năm 1994 Nghiên cứu Tiến sĩ Glenn Edwards đồng nghiệp Trung tâm FEL Đại học Vanderbilt phát mô mềm da, giác mạc, mô não cắt giảm, ablated (cắt bỏ) sử dụng bước sóng hồng ngoại xung quanh FEL 6.45 micromet Năm 1999 Ca phẫu thuật sử dụng laser electron tự người tiến hành Tiến sĩ Michael Copeland Tiến sĩ Pete Konrad ĐH Vanderbilt, họ thực ba ca phẫu thuật cắt bỏ khối u màng não cho bệnh nhân Bắt đầu từ năm 2000, Tiến sĩ Karen Joos Tiến sĩ Louise Mawn thực thành công năm ca phẫu thuật liên quan đến việc cắt vỏ bọc thần kinh thị giác 10 Từ thành công đó, nỗ lực tạo laser có bước sóng từ 6-7 micromet để giảm thiểu đến mức nhỏ ảnh hưởng mô mềm xung quanh vùng xử lý thúc đẩy nghiên cứu Tại họp thường niên năm 2006 Hiệp Hội Laser Y học Phẫu thuật Mỹ (American Society for Laser Medicine and Surgery - ASLMS), Tiến sĩ Rox Anderson thuộc Phòng thí nghiệm Wellman Photomedicine trường Y Harvard Bệnh viện Đa khoa Massachusetts báo cáo ứng dụng y tế laser electron tự làm tan chảy chất béo thể mà không làm hại da nằm phía Được biết, bước sóng hồng ngoại, tia laser làm nước mô ấm lên, bước sóng tương ứng với 915, 1210 1720 nm, chất béo bề mặt da bị làm nóng mạnh nhiều so với nước # Phẫu thuật điều trị tật khúc xạ mắt Tuy ứng dụng Laser nước ta ít, đa số thiết bị phải nhập ngoại ta tiếp thu nhiều thành tựu Điển hình phẫu thuật Laser Excimer điều trị tật khúc xạ mắt Qua nghiên cứu, người ta nhận thấy laser excimer tạo từ Argon Fluorine (ArF) có bước sóng 193 nm thích hợp cho việc phẫu thuật khúc xạ có đặc điểm sau như: khả xuyên mô xung quanh thấp, không gây đột biến gen, khả bị nước hấp thụ mạnh…Nên từ năm 1986, Laser Excimer đưa vào sử dụng để điều trị tật khúc xạ mắt Từ nhiều hệ máy kỹ thuật phẫu thuật đời ngày đại, hoàn thiện Hiện có phương pháp phẫu thuật chính: + PRK (Photorefractive keratectomy): Đầu tiên cạo bỏ lớp biểu mô giác mạc (lớp tự tái tạo), sau chiếu tia laser trực tiếp lên giác mạc để phục hồi độ cong giác mạc tuỳ theo mức độ bệnh nhân, từ điều trị tật khúc xạ mắt 11 + LASEK (Laser Epithelial Keratomileusis): Lớp biểu mô giác mạc làm “mềm, lỏng “ bóc phần lên để chiếu laser lên giác mạc Sau đậy lớp biểu mô lên, tự phục hồi cũ + LASIK (Laser – Assisted In Situ Keratomileusis): Đầu tiên dùng dao cắt vi phẫu tạo vạt biểu mô mỏng hình tròn trung tâm giác mạc, sau lật lên chiếu chùm tia laser lên nhu mô giác mạc để làm bốc phần mô giác mạc nhờ phục hồi lại độ cong giác mạc với mức độ phù hợp cho bệnh nhân Cuối bề mặt giác mạc rửa vạt giác mạc đậy lại Kỹ thuật Lasik phẫu thuật tiên tiến, đại, phổ biến có độ xác, an toàn, hiệu cao, kết ổn định Thời gian phẫu thuật khoảng từ – 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) 13 Dụng cụ cắt vạt giác mạc Thao tác làm vạt giác mạc chiếu laser 14 Chiếu tia laser điều chỉnh độ khúc xạ 15 Ứng dụng lĩnh vực quân : Vì Laser điện tử dự điều chỉnh tần số, bước sóng lượng … nên thiết bị ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quân Các nước phát triển đánh giá có tầm quan trọng lớn suy đoán FEL mang đến ứng dụng tiến vượt bậc cho loại vũ khí công nghệ cao Với laser thông thường, cần tập trung cường độ ánh sáng để nung nóng vật phá hủy chúng Còn chất hủy diệt chùm tia laser điện tử kết hợp cường độ ánh sáng với bắn phá electron nhằm phá vỡ liên kết vật liệu mục tiêu Thời gian để phá hủy mục tiêu nhanh thông qua việc điều chỉnh cường độ chùm tia laser điện tử Ứng dụng thành tựu kim phun điện tử mới, làm cho chùm tia điện tử trì thời gian lâu hơn, đồng nghĩa với cường độ chùm tia laser điện tử mạnh Thời gian ngắt quãng hai lần bắn ngắn so với laser thông thường Hiện tại, công suất chùm tia laser điện tử tạo đạt 14kW Các nhà nghiên cứu tích cực làm việc để tăng công suất chùm tia laser điện tử lên 100kW Khi FEL trở thành vũ khí phòng thủ tầm gần hiệu Thậm chí, tương lai nhà khoa học hy vọng tăng cường độ chùm tia laser điện tử lên 1MW, lúc hệ thống có khả tiêu diệt mục tiêu xa Nếu thử nghiệm thành công, bước đột phá vũ khí công nghệ cao Với chùm tia laser điện tử có tốc độ ánh sáng, lượng dòng điện lớn, có khả phá hủy mục tiêu thời gian ngắn, loại vũ khí thông thường Công nghệ FEL Hải quân Hoa Kỳ đánh giá cao ứng cử viên tốt cho việc nghiên cứu máy bay chống tên lửa vũ khí lượng lớn 16 Hải quân Mỹ ký hợp đồng với Boeing (tập đoàn sản xuất vũ khí lớn giới trước năm 2008) để sử dụng Free Electron Laser cho kế hoạch chế tạo tàu với vũ khí siêu xác có khã tiêu diệt mục tiêu nhanh chóng gây thiệt hại tối thiểu khu vực xung quanh Năm 1977, Không quân Mỹ phát triển loại tia laser hóa học (COIL) với nguồn lượng cung cấp từ phản ứng hóa học môi trường phân tử i-ốt Nó hoạt động theo cớ chế sau: - Một phản ứng hóa học xảy khí clo hỗn hợp chất lỏng hydrogen peroxide (H2O2) kali hydroxit (KOH) - Phản ứng tạo nguyên tử oxy đơn - Các nguyên tử oxy đơn cung cấp lượng cho phân tử I-ốt khiến chúng phát ánh sáng với bước sóng 1,3 micromet 17 COIL áp dụng dự án Airbone laser Không quân Mỹ, tìm hiểu kỹ phần # Dự án Airborne Laser : Trong chiến tranh vùng Vịnh, lực lượng Saddam Hussein bắn tên lửa đạn đạo SCUD vào Isarel Mỹ Trung Đông Các tên lửa Patriot sử dụng để đánh chặn tên lửa Hussein, bảo vệ Mỹ Các tên lửa đánh chặn phá hủy tên lửa đạn đạo cự ly gần, chúng gần đến mục tiêu vần có rát nhiều rủi ro Dự án Airborne Laser (ABL) thiết kế để vô hiệu hóa tên lửa đạn đạo chúng vừa phóng lên không trung 18 ABL đặt máy bay Boeing747 cải tiến, bao gồm bốn máy phát tia laser COIL, cảm biến quang học thiết bị giúp theo dõi, xác định vị trí tên lửa đạn đạo Chúng hoạt động theo chế sau: - Cảm biến hồng ngoại phát dấu hiệu nhiệt vụ phóng tên lửa, sau truyền thông tin đến thiết bị có nhiệm vụ theo dõi - Thiết bị theo dõi thu thập thông tin liên tục tên lửa đạn đạo (khoảng cách, tốc độ, độ cao …) - Các máy tính bắt đầu tính toán đưa vị trí tốt để công - Một tia laser xác định chiếu vào mục tiêu, đo biến động khí ABL mục tiêu - Hệ thống quang học ABL tính toán để bù đắp biến động khí 19 - COIL bắn chùm tia laser đến mục tiêu, thông qua tháp pháp laser gắn đầu máy bay - Chùm tia laser lượng cao xuyên qua lớp vỏ tên lửa, vô hiệu hóa khiến tên lửa phát nổ, tùy thuộc vào vị trí tia laser công Không quân thử nghiệm dự án ABL, cho biết phạm vi hoạt động lên đến hàng trăm km ABL yêu cầu phi hành đoàn gồm người tham gia tác chiến, họ phải đeo loại kính bảo vệ đặc biệt để tránh tác động từ phản xạ chùm tia laser qua giọt nước không khí 20 Không áp dụng dự án ABL đánh chặn tên lửa đạn đạo, tia laser lượng cao quân đội Mỹ nghiên cứu áp dụng cho xe tải tàu chiến, nhằm vô hiệu tên lửa tầm gần tiêu diệt máy bay xe giới 21 III/ TÀI LIỆU THAM KHẢO J Madey, "Stimulated Emission of Bremsstrahlung in a Periodic Magnetic Field," J Appl Phys 42, 1906 (1971) Madey, John, Stimulated emission of radiation in periodically deflected electron beam, US Patent 38 22 410,1974 "Boeing Completes Preliminary Design of Free Electron Laser Weapon System" Truy cập 18/11/2013 "Dr Rox Anderson treatment" Truy cập 18/11/2013 "Breakthrough Laser Could Revolutionize Navy's Weaponry" Fox News 2011-01-20 Truy cập 18/11/2013 "Laser light from Free-Electron Laser used for first time in human surgery" Truy cập 18/11/2013 Laser electron tự http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser_electron_t%E1%BB%B1_do Truy cập 18/11/2013 Free Electron Laser http://en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser Truy cập 18/11/2013 Phẫu thuật điều trị tật khúc xạ mắt Laser Excimer http://www.thietbiysinh.com.vn/news/phau-thuat-dieu-tri-cac-tat-khuc-xa-matbang-laser-excimer Truy cập 18/11/2013 22 ... sơ lược Laser điện tử tự Lịch sử nghiên cứu Nguyên lý Đặc điểm Phân loại Ứng dụng Laser điện tử tự Ứng dụng lĩnh vực y học Ứng dụng lĩnh... chỉnh cường độ chùm tia laser điện tử Ứng dụng thành tựu kim phun điện tử mới, làm cho chùm tia điện tử trì thời gian lâu hơn, đồng nghĩa với cường độ chùm tia laser điện tử mạnh Thời gian ngắt... khảo 19 I/ Giới thiệu sơ lược Laser điện tử tự Laser điện tử tự hay gọi Laser electron tự (tiếng Anh Free Electron Laser, viết tắt FEL) loại laser có khả đổi màu (tunability) tính phát