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

1


Mục lục
I/

II/

III/

Trang

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

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

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 Electron

Laser, viết tắt FEL) là một loại laser có khả năng đổi màu (tunability) và tính phát quang
đồng pha (coherent radiation) theo một nguyên tắc chung từ sóng mi-li-mét đến quang

tuyến X. FEL khác với các loại laser thường ở chỗ FEL dùng electron không ràng buộc
vào 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 ánh
sáng (c = 2,9979 x 10 8 m/s) với năng lượng từ MeV (mega electron-volt) đến GeV (giga
electron-volt), thông qua một chuỗi nam châm có từ trường dạng cos với số sóng k u,
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 laser

ruby. Từ thời điểm đó, một phát triển khoa học và công nghệ ấn tượng, chuyển đổi một
thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thành một thiết bị phổ biến, đã được sử dụng rộng
rãi 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 Đại
học Stanford. Phát minh này xuất phát từ nghiên cứu thực hiện bởi Hans Motz và đồng
nghiệp của mình khi họ tạo một Undulator tại Stanford vào năm 1953 bằng cách sử
dụng cấu hình wiggler. Madey đã sử dụng một chùm tia điện tử 24 MeV và dài 5m
wiggler để khuếch đại tín hiệu. Ngay sau đó, các phòng thí nghiệm khác kết hợp với
máy gia tốc bắt đầu phát triển loại laser này.

3


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 of
Radiation), chúng ta cần phải khuếch đại ánh sáng bằng phương pháp phát quang
kích thích (stimulated emission).
Dưới ảnh hưởng của từ trường dạng cos, electron bị lực đẩy Lorentz và chạy
theo quỹ đạo cũng có dạng cos, x = x 0cos(kuz). Electron lắc lư qua lại (wiggle) trong máy
gợn sóng sẽ phát sóng điện từ (electromagnetic wave) nghĩa là electron phát chùm ánh
sáng 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 kính
ngược 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 nam
châm xoay cực trong một bộ phận cộng hưởng quang học, dọc theo đường đi của chùm
tia điện tử. Các xung từ trường ngang trong hộp cộng hưởng quang học bẻ cong chùm tia
electron theo quỹ đạo hình sin. Ở đó, sự tăng tốc của các electron dọc theo hộp cộng
hưởng quang học là kết quả của việc giải phóng các photon. Sự tương tác giữa các
electron và hộp cộng hưởng quang học tạo ra chùm tia laser điện tử. Bộ phận này hoạt
động như một máy gia tốc hạt, làm cho chùm tia điện tử mạnh hơn. Cường độ của chùm
tia 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 lượng
cao rơi xuống tầng năng lượng thấp, và mỗi electron rơi xuống phát ra một lượng tử cùng
màu và cùng pha. Nếu có nhiều electron ở tầng năng lượng được kích thích để phóng ra
nhiều 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 một
năng lượng và một pha. Nhiều electron lập thành một tổ hợp (ensemble) trên không gian
5


hai chiều. Trước khi vào máy gợn sóng, tất cả electron ở cùng một năng lượng nhưng ở
nhiều pha khác nhau. Có nghĩa là, trong một không gian pha bằng độ dài sóng, electron
nằm trên cùng một năng lượng nhưng có nhiều pha khác nhau từ -π cho đến +π (mỗi độ
dài sóng = 2π)
Sau khi bị ánh sáng tác dụng, nửa electron sẽ mất năng lượng và nửa khác tăng
năng 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 năng
lượng 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 (ở
giữa độ dài sóng). Vì hiện tượng này xảy ra mỗi độ dài sóng, electron sẽ dính chùm lại
thành 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 đồng
pha và bằng cường độ rất lớn, sự khuếch đại ánh sáng trong một FEL có thể lên đến 10 6 1010.

6


3.

Đặc điểm :
Một laser electron tự do (FEL), là một loại laser có cùng các thuộc tính quang học

giống 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 electron
được 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 có
năng 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 electric
field) để tác dụng vào quỹ đạo electron trong không gian pha (phase space) và thay đổi
năng lượng của electron.
Laser electron tự do có dải tần số rộng nhất so với bất kỳ loại laser, dao động trong
bước sóng từ lò vi sóng, thông qua bức xạ radio và hồng ngoại, phổ khả kiến, tia cực tím,
và X-quang.
7


8

4.

Phân loại :
Low FEL và High FEL

9


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. Tiêu
biểu 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 để
phẫu thuật giác mạc cho các bệnh nhân bị tật khúc xạ. Từ năm 2009, các ứng dụng cho
quân 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 Trung

tâm FEL của Đại học Vanderbilt phát hiện ra rằng các mô mềm như da, giác mạc, và mô
não có thể được cắt giảm, hoặc ablated (cắt bỏ) khi sử dụng các bước sóng hồng ngoại
xung quanh FEL 6.45 micromet.
Năm 1999 Ca phẫu thuật đầu tiên sử dụng laser electron tự do trên con người được
tiến hành bởi Tiến sĩ Michael Copeland và Tiến sĩ Pete Konrad của ĐH Vanderbilt, họ đã

thực 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 thành
công 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 Rox
Anderson thuộc Phòng thí nghiệm Wellman về Photomedicine của trường Y Harvard và
Bệnh viện Đa khoa Massachusetts đã báo cáo về ứng dụng y tế của laser electron tự do có
thể làm tan chảy chất béo trong cơ thể mà không làm hại da nằm phía trên. Được biết, tại
bước sóng hồng ngoại, tia laser làm nước ở trong mô ấm lên, nhưng ở các bước sóng
tương ứng với 915, 1210 và 1720 nm, chất béo dưới bề mặt da bị làm nóng mạnh hơn rất
nhiều 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 điểm
sau như: khả năng xuyên mô xung quanh thấp, không gây đột biến gen, khả năng bị nước
hấp thụ mạnh…Nên từ năm 1986, Laser Excimer đã được đưa vào sử dụng để điều trị các
tật khúc xạ của mắt. Từ đó nhiều thế hệ máy và kỹ thuật phẫu thuật đã được ra đời ngày
càng 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 độ
cong giác mạc tuỳ theo mức độ mỗi bệnh nhân, từ đó điều trị được tật khúc xạ mắt.

11


+

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 mô
lên, sẽ tự phục hồi như cũ.

+

LASIK (Laser – Assisted In Situ Keratomileusis): Đầu tiên dùng dao cắt vi

phẫu tạo vạt biểu mô mỏng hình tròn ở trung tâm giác mạc, sau đó được lật lên rồi chiếu
chùm tia laser lên nhu mô giác mạc để làm bốc hơi 1 phần mô giác mạc nhờ đó phục hồi
lại được độ cong giác mạc với mức độ phù hợp cho từng bệnh nhân. Cuối cùng bề mặt
giác 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 độ
chính 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)

13


Dụng cụ cắt vạt giác mạc

Thao tác làm vạt giác
mạc và chiếu laser.
14


Chiếu tia laser điều chỉnh độ khúc xạ

15


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 đánh
giá nó có tầm quan trọng lớn và suy đoán rằng FEL sẽ mang đến những ứng dụng tiến bộ
vượt 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 và
phá hủy chúng. Còn bản chất hủy diệt của chùm tia laser điện tử là kết hợp giữa cường độ
ánh sáng với sự bắn phá của electron nhằm phá vỡ liên kết vật liệu mục tiêu. Thời gian để
phá hủy mục tiêu cũng nhanh hơn thông qua việc điều chỉnh cường độ của chùm tia laser

điện tử.
Ứng dụng các thành tựu của các kim phun điện tử mới, làm cho chùm tia điện tử
được 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 thông
thường.
Hiện tại, công suất của chùm tia laser điện tử được tạo ra đạt được 14kW. Các nhà
nghiên cứu đang tích cực làm việc để tăng công suất của chùm tia laser điện tử lên
100kW. 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 thành
công, 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 điện
lớn, nó sẽ có khả năng phá hủy bất kỳ mục tiêu nào trong thời gian ngắn, hơn các loại vũ
khí thông thường hiện nay.
Công nghệ FEL được Hải quân Hoa Kỳ đánh giá cao như một ứng cử viên tốt cho
việc 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 thế
giới trước năm 2008) để sử dụng Free Electron Laser cho kế hoạch chế tạo con tàu với vũ
khí siêu chính xác có khã năng tiêu diệt mục tiêu nhanh chóng và gây thiệt hại tối thiểu
khu vực xung quanh.
Năm 1977, Không quân Mỹ đã phát triển một loại tia laser hóa học (COIL) với
nguồn năng lượng được cung cấp từ một phản ứng hóa học và môi trường là các phân tử
i-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.

17


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 lửa
đạn đạo SCUD vào Isarel và các căn cứ của Mỹ ở Trung Đông. Các tên lửa Patriot đã
được sử dụng để đánh chặn các tên lửa của Hussein, bảo vệ các căn cứ của Mỹ. Các tên
lửa 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 hóa
các 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 đó

truyền 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.
19


-

COIL bắn một chùm tia laser đến mục tiêu, thông qua tháp pháp laser gắn ở đầu

chiếc máy bay.
-

Chùm tia laser năng lượng cao xuyên qua lớp vỏ tên lửa, vô hiệu hóa hoặc khiến

tên lửa phát nổ, tùy thuộc vào vị trí và tia laser tấn công.

Không quân vẫn đang thử nghiệm dự án ABL, cho biết phạm vi hoạt động của nó
có thể lên đến hàng trăm km. ABL sẽ yêu cầu một phi hành đoàn gồm 6 người tham gia
tác chiến, họ sẽ phải đeo loại kính bảo vệ đặc biệt để tránh tác động từ sự phản xạ của
chùm tia laser qua những giọt nước trong không khí.

20


Không chỉ được áp dụng trong dự án ABL đánh chặn tên lửa đạn đạo, các tia laser
năng lượng cao còn được quân đội Mỹ nghiên cứu và áp dụng cho các xe tải hoặc tàu
chiến, nhằm vô hiệu quá tên lửa tầm gần và tiêu diệt máy bay và xe cơ giới.

21


III/

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. J. Madey, "Stimulated Emission of Bremsstrahlung in a Periodic Magnetic Field,"

J. Appl. Phys. 42, 1906 (1971).
2. Madey, John, Stimulated emission of radiation in periodically deflected electron

beam, US Patent 38 22 410,1974
3. "Boeing Completes Preliminary Design of Free Electron Laser Weapon System".

Truy cập 18/11/2013
4. "Dr Rox Anderson treatment".
5.

Truy cập 18/11/2013
"Breakthrough Laser Could Revolutionize Navy's Weaponry".

Fox News. 2011-01-20. Truy cập 18/11/2013 .
6. "Laser light from Free-Electron Laser used for first time in human surgery"
Truy cập 18/11/2013
7. Laser electron tự do
/>
Truy cập 18/11/2013
8. Free Electron Laser
/>Truy cập 18/11/2013
9. Phẫu thuật điều trị các tật khúc xạ mắt bằng Laser Excimer />Truy cập 18/11/2013

22