Nội dung bài viết
Tia laser được sử dụng để nghiên cứu tính chất vật lý của phần bên trong sao và năng lượng nhiệt hạch, cùng nhiều thứ khác.
Nếu bạn đi bộ qua khoảng sân rộng phía trước tòa nhà Vật lý, Toán và Thiên văn học tại Đại học Texas ở Austin, bạn sẽ thấy một tòa tháp 17 tầng và một tòa nhà hình chữ L khổng lồ. Những gì bạn sẽ không nhìn thấy là những gì bên dưới bạn.
Hai tầng dưới mặt đất, đằng sau những cánh cửa đôi nặng nề có đóng dấu logo mà hầu hết sinh viên chưa bao giờ để ý đến, là một trong những nơi có tia laser mạnh nhất ở Hoa Kỳ. Tôi là nhà khoa học laser hàng đầu của Texas Petawatt, hay TPW như chúng tôi gọi, từ năm 2020 đến năm 2024.
Texas Petawatt, hiện đang đóng cửa do cắt giảm kinh phí, là một trung tâm nghiên cứu do chính phủ tài trợ, nơi các nhà khoa học trên khắp đất nước xin gia hạn thời gian sử dụng thiết bị chuyên dụng.
Nó là một phần của LaserNetUS, một mạng lưới các phòng thí nghiệm laser công suất cao của Bộ Năng lượng.
Loại laser này sử dụng một xung ánh sáng cực nhỏ, kéo căng nó ra để không làm nổ quang học thành từng mảnh và khuếch đại nó cho đến khi, trong một khoảnh khắc ngắn, nó mang nhiều năng lượng hơn toàn bộ lưới điện của Hoa Kỳ.
Sau đó, nó nén xung trở lại một phần nghìn tỷ giây để tạo ra một ngôi sao trong buồng chân không. Vào một ngày quay điển hình, mục tiêu có thể là một mảnh lá kim loại mỏng hơn sợi tóc người, một luồng khí hoặc một viên nhựa nhỏ, mỗi loại được thiết kế để trả lời một câu hỏi khoa học khác nhau.
Các nhà khoa học trên khắp đất nước đã nộp đơn xin TPW để nghiên cứu mọi thứ, từ tính chất vật lý của phần bên trong sao và năng lượng nhiệt hạch cho đến các phương pháp mới để điều trị ung thư. Hầu hết mọi người nghe về laser petawatt và hình dung ra điều gì đó từ một bộ phim.
Một “ngày làm việc” thực ra là hàng giờ làm việc yên tĩnh, lặp đi lặp lại, sau đó là khoảng 10 giây không ai thở.
Hiện tôi đang làm nhà khoa học nghiên cứu tại Đại học Texas-Austin, nghiên cứu sự tương tác của tia laze với các vật liệu khác nhau, nhưng một ngày quay thông thường trong thời gian tôi chạy TPW sẽ như thế này: Tôi đến hai giờ trước buổi chụp đầu tiên theo lịch trình.
Tôi mặc áo choàng, đi bốt, đội mũ trùm đầu rồi bước vào căn phòng sạch sẽ, lạnh lẽo. Tia laser không chỉ bật.
Bạn dỗ dành nó tỉnh dậy. Tôi bắt đầu với bộ dao động, một hộp nhỏ tạo ra hạt giống ánh sáng đầu tiên.
Tôi viết ra các thông số xác định cách thức hoạt động của tia laser trong quá trình bắn: năng lượng, tần số trung tâm, áp suất chân không trong ống, mực nước làm mát và lưu lượng. Ở giai đoạn này, chúng được cố định bất kể thí nghiệm.
Tia laser phải hoạt động theo cùng một cách mọi lúc trước khi khoa học có thể bắt đầu. Sau đó, tôi kích hoạt tia laser bơm để khuếch đại xung nhỏ này từ nanojoule lên khoảng nửa joule.
Hệ thống cần ít nhất 30 phút để ổn định. Trong thời gian đó, tôi kiểm tra căn chỉnh qua từng lỗ kim và mọi camera dọc theo đường đi của chùm tia.
Một sai lệch nhỏ ở giai đoạn này không chỉ là vấn đề; nó có thể là một thảm họa—một chùm tia đặt sai ở công suất tối đa có thể đốt cháy bộ phận quang học mà phải mất hàng tháng để tìm nguồn và thay thế, khiến toàn bộ tia laser hoạt động trở lại.
Sau khi hệ thống ấm lên, tôi đưa chùm tia vào bộ khuếch đại đầu tiên: một thanh thủy tinh được bao quanh bởi đèn chớp sáng rực để bơm ánh sáng vào kính—giống như sạc pin. Với mỗi lần đi qua, chùm tia sẽ hấp thụ năng lượng từ kính và ngày càng mạnh hơn.
Sau đó, chùm tia truyền vào một thanh lớn hơn, nơi nó thực hiện bốn đường chuyền, mỗi lần thu thêm năng lượng cho đến khi đạt khoảng 12 joules, gần bằng năng lượng của một quả bóng ném mạnh qua phòng.
Chỉ riêng quá trình này đã chiếm gần một giờ đồng hồ, phần lớn thời gian dành cho việc kiểm tra và xác nhận sự liên kết cũng như năng lượng ở mỗi giai đoạn. Tôi mở rộng chùm tia và gửi nó qua giai đoạn cuối cùng: bộ khuếch đại đĩa.
T wo, mỗi bộ khuếch đại bao gồm hai đĩa thủy tinh khổng lồ dài 30 cm, được cung cấp năng lượng bởi một dãy đèn flash khổng lồ chạy bằng các dãy tụ điện—về cơ bản là những cục pin khổng lồ lưu trữ năng lượng điện và giải phóng nó trong một đợt bùng nổ đột ngột.
Chúng lớn đến mức có phòng riêng ở một tầng riêng. Cửa chớp quang học nhanh giữa mỗi giai đoạn đóng vai trò như các cổng, kiểm soát chính xác thời điểm và nơi chùm tia truyền đi.
Khi nhóm thử nghiệm xác nhận rằng mục tiêu đã vào đúng vị trí, họ sẽ yêu cầu tôi chuẩn bị cho một lần bắn hệ thống. Tôi lướt qua danh sách kiểm tra dài.
Chúng tôi kiểm tra cửa chớp và chuyển sang chế độ chụp hệ thống. Mọi màn hình trong cơ sở đều thay đổi để hiển thị cùng một thông báo—“Chế độ chụp ảnh hệ thống”—và nhấp nháy màu đỏ.
Tôi tựa vào chiếc micro ở bàn điều khiển, một chiếc micro cổ điển trông giống như nó thuộc về phòng phát thanh thời Thế chiến thứ hai và thông báo rằng chúng tôi sắp bước vào một cảnh quay hệ thống. Sau đó, tôi mở kết chứa chùm tia máy nén: một tấm kính nặng thường chặn chùm tia tiếp cận mục tiêu.
Phải mất khoảng hai phút để di chuyển. Thông báo được phát qua loa khắp cơ sở.
Tôi lấy một chiếc chìa khóa liên động nhỏ, đeo kính bảo hộ laser và đi xuống cầu thang. Tôi đi theo một khuôn mẫu cụ thể ugh mọi phòng, kiểm tra xem vẫn còn ai ở bên trong.
Khi đi, tôi khóa từng cánh cửa bằng chìa khóa. Nếu bất kỳ ai mở một trong những cánh cửa đó sau khi tôi khóa chúng, toàn bộ chuỗi cảnh quay sẽ bị hủy bỏ.
Trở lại phòng điều khiển, tôi ngồi xuống và bắt đầu sạc các dãy tụ điện. Tại thời điểm này, không thể quay lại ngoại trừ việc tắt máy khẩn cấp và điều đó có nghĩa là mất cảnh quay và chờ mọi thứ nguội đi.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.