Tương lai của khoa học hậu laser (6) pdf

Tương lai của khoa học hậu laser (6) Sóng hấp dẫn Eric Gustafson Eric Gustafson hiện làm việc tại Viện Công nghệ California, Hoa Kì, và đứng đầu nhóm khoa học thiết bị của đài thiên văn sóng hấp dẫn LIGO.  Thiên văn học  Vật lí nguyên tử  Vật lí y sinh  An ninh quốc phòng  Laser electron tự do  Thường được xemlà “những gợn sóngtrong không-thời gian”,sóng hấp dẫn sinh ra trong nhữngsự kiện thiênvăn vật lí cực kì dữ dội trong đó vận tốc của các vật như sao neutronhoặc lỗ đen thay đổi nhữnglượng thậtsự bằng vài phần của tốc độ ánh sáng trong một khoảng thời gianrất ngắn. Việc dò tìm các sóng ấy là một nhiệm vụ đầy thử thách vì, đốivới cácmáy dò đặt trên mặtđất, những biến đổi nàyđối với vậntốc xảy ra trên quy mô thời gian từ một phần của mộtmili giây cho đến vài chụcmili giây.Việc đo những thănggiáng nhỏ xíu này trongsự cong của không-thời gian đòi hỏi sử dụng các giao thoa kế laser rất nhạy, trong đó các chùmánh sáng truyền xuốngcác cánhtay vuônggóc củathiết bị, phản xạ khỏi các gương nằm tại cuối mỗi cánh tayvà sau đó quaytrở lại giao thoavới nhau.Ý tưởng là một sóng hấpdẫn đi quasẽ làm thay đổi hìnhảnhgiao thoa theo một kiểuđặc trưng. Khi công nghệ laser phát triển, các laser sử dụng trongcác thínghiệm sóng hấp dẫn đã thay đổi theovới nó. Thí nghiệm giao thoakế đầu tiên đượcthiết kế để dò tìm những sóng này, do RobertForward tại Phòng nghiên cứu Hughes ở Californiaxây dựng vào đầu nhữngnăm 1970, sử dụng một laser helium-neon 75 mW vàcó kích cỡ bằng một bàn cờ. Rồi với độ nhạy ấntượng của dụng cụ này, việc đo nhữngchuyểndịch dao độngnhỏ nhất đã từng phát hiện với một laser tính cho đến nay:1,3 × 10 –14 m Hz –1/2 – tương đươngvới việc đo nhữngbiến đổi chưa tới2 mm trong khoảng cách từ trái đất đến Mặt trời. Tuy nhiên, các tínhchất cỡ công suất nghèo nàncủa laserhelium–neonkhiếnnó không có tương lai trong giao thoa kế sónghấp dẫn ngoài cácthí nghiệm trên bàn. Trongthập niên 1980, một vài nhóm trên khắpthế giới đã xây dựng các giao thoa kế trong các hệ chân khôngcực cao, với hệ thống quangcủa chúng treo lơ lửng để cách li chúng khỏi sự nhiễu nền. Nhữngthí nghiệm này có kích thước từ một đến vài chụcmét và sử dụng các laser ion argon,chúnghoạt độngở bước sóng 514 nmvà công suất phát vài watt. Các giao thoa kế như vậy thườngđược thiết kế ra để nghiên cứu những vấn đề đặc biệttrong giao thoa kế sónghấp dẫn, thídụ như so sánh cáccấu hình quang khác nhau, tìm các phương thứcđiều khiển hệ thống quang lơ lửng và môtả đặc trưngsự nhiễu ở các hệ con như các gương, và pháttriển các tínhiệu điềukhiển chiều dài và canh chỉnh cho hệ thốngquang treo lơ lửng. Thật không may,các ống plasma sử dụng trongcác laser ionargon,cùng với nước làm nguội mà chúng cần,tạo ra mức cao củasự nhiễu tần số laser. Ngoài ra, thời gian sống tương đối ngắn của nhữngốngnày khiến chúng không thực tế cho sử dụng trong đài thiên văn. Cuối cùng, công suất phát củacác laser trên – trong khi cao hơn laserhelium-neon– lànhỏ sovới cỡ hàng trăm watt mà các máy dò tiên tiến hơn đòi hỏi, nhờ thực tế là ở cáctần số cao,độ nhạy của máy dòbị hạn chế bởi sự nhiễu bắnphá. Vào thập niên 1990,khi nhómhiện naycủa các đài thiên văn cỡ km(LIGO ở Mĩ, VIRGO ở Italyvà GEO ở Đức) đã và đangđược lên kế hoạch và triển khaixây dựng, các laser bán dẫn bơmdiode đã có sẵn trên thị trường. Nhữnglasernày khôngchỉ có mức nhiễu tần số thấp hơn nhiều so với cáclaser ion argon,mà chúng còn cótiềm năngtạo ra côngsuất cao hơn nhiều. Thoạt đầu, côngsuất phát cực đại của chúnglà khoảng 10 W, nhưng các laser bơm diodecải tiến và sử dụng các dao độngtử công suất bơm-khóa hoặccác cấu hìnhdao động tử chủ - bộ khuếch đại công suất biến các laserloại 100 W sẵn sàng cho một thế hệ mới của các giaothoa kế. Những giaothoa kế mới này sẽ đưa vào sử dụngtrong vài năm tới tại LIGOvà VIRGO,và sẽ sử dụng cáclaser 200 W.Đồng thời, GEO sẽ sử dụng một kĩ thuật ánh sáng nén để tạo ra hiệu suất nhiễu tốt hơn ở mức công suất laser thấp. Đối với các thiết bị đặt trên không giannhư Anten Vũ trụ Giaothoa kế Laser (LISA), các laser bán dẫn bơm diodeđượcchọn khôngphải vìtiềm năngcông suấtcao của chúng, mà vì hiệu suấtvà tính xácthực rất cao của chúng,các đặcđiểm đặcbiệt quan trọng cho một sứ mệnh đặt trên không gian. Không rõchính xácthì nhữnglaser nào hoặc những bước sóng nào sẽ là cần thiết chocác máy dò đặttrên mặt đất trong tươnglai. Chúng ta cóthể thấy những bướcsóng hơi dài hơn mộtchút đượcchọn có thể dùng với các vật liệu làm chất gương mới hoạt động ở 1064nm;hoặc chúng ta có thể thấy những bước sóng ngắn hơncho phép chúng ta sử dụngcác lớp tráng gương mỏnghơn, dođó làm giảm sự nhiễu nhiệt sinh ra.Có lẽ khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm kiếmbước sóng “thích hợp” để tối ưu hóa độ nhạy, thì chúngta sẽ thấy chúng ta cần những bướcsóng chỉ cóthể được tạo ra quasự biến đổi tần số phi tuyến của cáclaser bán dẫn – và vì thế sự chọn lựa các laser của chúng ta có thể tiếp tục phát triển. . Tương lai của khoa học hậu laser (6) Sóng hấp dẫn Eric Gustafson Eric Gustafson hiện làm việc tại Viện Công nghệ California, Hoa Kì, và đứng đầu nhóm khoa học thiết bị của đài thiên. Hz –1/2 – tương đươngvới việc đo nhữngbiến đổi chưa tới2 mm trong khoảng cách từ trái đất đến Mặt trời. Tuy nhiên, các tínhchất cỡ công suất nghèo nàncủa laserhelium–neonkhiếnnó không có tương lai. may,các ống plasma sử dụng trongcác laser ionargon,cùng với nước làm nguội mà chúng cần,tạo ra mức cao củasự nhiễu tần số laser. Ngoài ra, thời gian sống tương đối ngắn của nhữngốngnày khiến chúng không