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.