如果你走在德克萨斯大学奥斯汀分校的物理、数学和天文学大楼前的开阔庭院里,你会看到一座17层的塔楼和一栋巨大的L形建筑。但你不会看到的是你脚下的东西。在地下两层,在一扇厚重的双开门后面,门上印着一个大多数学生从未注意到的标志,坐落着美国最强大的激光器之一。
我是德克萨斯拍瓦激光器(Texas Petawatt,我们称之为TPW)的首席激光科学家,从2020年到2024年。德克萨斯拍瓦激光器目前因资金削减而关闭,它是一个政府资助的研究中心,来自全国各地的科学家申请使用这里的专业设备。它是LaserNetUS的一部分,这是能源部的高功率激光实验室网络。
这种激光器将一束微小的光脉冲拉伸,使其不会炸碎光学元件,然后放大它,直到在短暂的一瞬间,它携带的能量超过整个美国电网。接着它将脉冲压缩回万亿分之一秒,在真空室中创造一颗恒星。
在典型的发射日,目标可能是一片比人类头发还薄的金属箔、一股气体射流或一个微小的塑料颗粒——每个都设计用来回答不同的科学问题。来自全国各地的科学家申请使用TPW的时间,研究从恒星内部物理和聚变能到癌症治疗新方法的一切。
大多数人听到拍瓦激光器时,会想象电影中的场景。一个’发射日’实际上是数小时安静、重复的工作,然后是大约10秒钟没有人呼吸的时间。
我现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的研究科学家,研究激光与不同材料的相互作用,但在我运行TPW期间,一个典型的发射日是这样的:
**上午7点**
我在第一次预定发射前两小时到达。我穿上长袍、靴子和发网,走进冰冷的洁净室。
激光器不会直接打开。你要哄它醒来。
我从振荡器开始,这是一个产生第一束光种子的盒子。我写下定义激光在发射期间行为的参数:能量、中心频率、管中的真空压力、冷却水水位和流量。在这个阶段,无论实验如何,这些参数都是固定的。激光必须在每次科学开始前以相同的方式运行。
然后我启动泵浦激光器,它将把这个微小的脉冲从纳焦耳放大到大约半焦耳。系统至少需要30分钟来稳定。在此期间,我检查光束路径上每个针孔和每个摄像头的对准。这个阶段的轻微错位不仅仅是问题;它可能是灾难性的——全功率下的光束错位可以烧穿需要数月采购和更换的光学元件,使整个激光器倒退。
**构建光束**
一旦系统预热完毕,我将光束送入第一个放大器:一个玻璃棒,周围是明亮的闪光灯,将光泵入玻璃——就像给电池充电一样。每次通过,光束从玻璃中吸收能量并变得更强。
然后光束进入一个更大的棒,在那里它通过四次,每次吸收更多能量,直到达到大约12焦耳,大致相当于一个球被用力扔过房间的能量。
这个过程本身就需要将近一个小时,大部分时间花在检查和确认每个阶段的对准和能量上。
我扩展光束并将其送入最后阶段:盘式放大器。两个放大器,每个由两个巨大的30厘米玻璃盘组成,由一个由电容器组供电的巨大闪光灯组泵浦——本质上是储存电能并在突然爆发中释放的巨型电池。它们如此之大,以至于在单独的楼层有自己的房间。
每个阶段之间的快速光学快门充当门,精确控制光束何时何地传播。
**发射**
当实验团队确认目标就位时,他们要求我准备系统发射。我运行长长的检查清单。我们测试快门并切换到系统发射模式。设施中的每个监视器都更改为显示相同的消息——’系统发射模式’——并闪烁红色。
我靠在控制台上的麦克风上,这是一个看起来像属于二战无线电室的复古设备,宣布我们正在进入系统发射。
然后我打开压缩器光束收集器:一块厚重的玻璃板,通常阻挡光束到达目标。移动它大约需要两分钟。
‘扫描,为系统发射扫描。’这个宣布通过扬声器传遍整个设施。
我拿起一个小互锁钥匙,戴上激光安全护目镜,下楼。我按照特定模式走过每个房间,检查是否还有人留在里面。我一边走,一边用钥匙锁上每扇门。如果在我锁上门后有人打开其中一扇门,整个发射序列就会中止。
回到控制室,我坐下并开始给电容器组充电。此时,除了紧急关闭外没有回头路,这意味着失去发射并等待一切冷却。
‘充电。’房间变得寂静。每个人的眼睛都盯着监视器。没有人说话。我通常会与今天发射项目的研究员交换一个眼神——今天是乔,来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的访问科学家,他设计了我们将要汽化的目标。他紧握着他的咖啡杯,好像它欠他钱一样。
我转回控制台。’充电完成。三、二、一后发射系统发射。发射。’
我按下按钮。一声巨响滚过建筑物,所有储存的能量都倾注到光束中。
监视器冻结,捕捉发射瞬间的一切:光束轮廓、光谱、诊断——这些指标提供了激光器如何运行以及发射是否干净的完整画面。
楼下,在真空室中,一个比人类头发还小的点刚刚达到了以百万度测量的温度。
我靠在椅子上,开始记录激光参数,每个人都松了一口气。辐射安全官员首先下去检查目标室周围的读数,然后其他人才能进入。实验团队随后收集数据。
有时一切都很完美。有时快门无法打开,你就失去了发射。例如,2023年的一个下午,我们花了三个小时准备一次高优先级发射。目标对准。电容器充电。我按下按钮,什么也没听到。链条中的某个地方快门失效了。监视器保持冻结,显示黑色。没有人说话。我在日志中写下’发射失败’,并开始长达一小时的冷却序列。
这就是电影中没有展示的部分:静静地坐着,等待再次尝试。我们在四小时后获得了发射。
这种期待是工作的一部分:数小时的耐心等待你从未真正习惯的10秒钟。一切都在校园地下发生,成千上万的人在上面行走,不知道在几分之一秒内,一个比太阳表面更热的微小物质点刚刚存在于他们的脚下。
**评价引导:**
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