美国最强激光器功率达2拍瓦 创下新纪录

随着首个2拍瓦实验的成功完成，ZEUS 势必将突破高场科学的界限，为研究人员提供强大的新工具，助力探索和创新。团队仍在持续升级系统，力求达到其最大容量，与此同时，用户实验也已在进行中。

密歇根大学的宙斯激光装置使美国跃居高强度激光科学的前沿。在其首次正式实验中，ZEUS激光达到了2拍瓦的峰值功率，是美国其他激光器输出功率的两倍。尽管此次爆发的功率是全球总功率的100多倍，持续时间仅为25千万亿分之一秒，但它代表了美国研究能力的重大里程碑。

“这一里程碑标志着美国高场科学实验迈向未知领域的开始，”ZEUS 的所在地——热拉尔·穆鲁超快光学科学中心主任卡尔·克鲁舍尔尼克说道。该大学称，考虑到其规模和潜力，这座耗资 1600 万美元建造的设施“物超所值”。

ZEUS 由美国国家科学基金会 (NSF) 支持，作为用户设施运营，欢迎来自美国乃至世界各地的研究团队加入。实验提案通过独立审查程序遴选，确保其激光器的性能用于最有前景的科学研究。ZEUS 开展的研究预计将推动医学、国家安全、材料科学、天体物理学、等离子体科学和量子物理学等领域的发展。

ZEUS 系统主要由商用组件构成，并融合了先进技术，包括双啁啾脉冲放大器和可编程声光滤波器，可保持超短高功率脉冲所需的精确带宽和相位。该激光器可输出短至 20 飞秒的压缩脉冲，从而支持各种尖端实验。

ZEUS 位于一个大约相当于学校体育馆大小的空间内，内设三个不同的目标区域，每个区域都针对特定的研究应用进行定制。目标区域 2 设计用于涉及固体靶和离子加速的实验，而目标区域 3 则针对激光尾场加速进行了优化，可测量高达约 5 GeV 的电子能量。

该设备分裂光束的能力使其能够达到比单束光束高出一百万倍的强度，从而能够研究量子真空结构等极端现象以及从空旷空间中创造物质-反物质对。

加州大学欧文分校教授富兰克林·多拉 (Franklin Dollar) 表示：“ZEUS 的一大优点是，它不仅仅是一把大型激光锤，还可以将光分成多束。”他的团队正在进行 2 拍瓦的首次用户实验。

目标区域 1，首次 2 拍瓦用户实验将在此进行。

Dollar 的团队正与 ZEUS 的科学家合作，致力于产生能量堪比数百米长粒子加速器产生的电子束。他们的目标是使电子能量达到 ZEUS 此前已达到的水平的 5 到 10 倍。

密歇根大学领导实验区域开发的研究科学家阿纳托利·马克西姆丘克解释说：“我们的目标是使用两束独立的激光束来达到更高的电子能量——一束形成引导通道，另一束加速电子通过通道。”

为了实现这一目标，研究人员重新设计了靶材，加长了容纳氦气的腔体。当激光脉冲击中氦气时，电子从原子中剥离出来，形成等离子体，将氦气转化为自由电子和带正电离子的混合物。电子随后在激光脉冲的尾流中被加速，这一过程被称为尾场加速。由于光在等离子体中的传播速度较慢，电子可以追上并驾驭脉冲，从而在密度较低、延伸的靶材中，在更长的距离上获得更多能量。

此次ZEUS功率的演示是该设施标志性实验的前奏，该实验预计将于今年晚些时候进行。在这项实验中，加速电子将与沿相反方向行进的激光脉冲碰撞。在电子的参考系中，3拍瓦的激光脉冲将比电子的功率高出一百万倍——达到泽瓦级脉冲——ZEUS的全名由此而来：“泽瓦等效超短激光脉冲系统”。

美国国家科学基金会物理部项目主任维亚切斯拉夫·卢金表示，ZEUS 的潜在益处远不止于物理学，它还将影响医疗保健、科技和经济发展的进步。“在美国国家科学基金会 ZEUS 设施进行的基础研究具有广泛的应用潜力，包括改进软组织成像方法，以及推进用于治疗癌症和其他疾病的技术。”他说道。

ZEUS 的实验还可能有助于解释天体物理现象，例如黑洞的正电子喷流和伽马射线爆发，将实验室科学与宇宙中一些最神秘的事件联系起来。

实现2拍瓦的历程并非一帆风顺。最终放大器所需的近7英寸直径的掺钛蓝宝石晶体耗时数年才采购完成。“我们即将在夏天获得的晶体将使我们的功率达到3拍瓦，制造它耗时四年半，”ZEUS项目经理Franko Bayer说道。“我们拥有的这种尺寸的钛蓝宝石晶体，在世界上屈指可数。”

从300太瓦的HERCULES激光器过渡到ZEUS的1拍瓦系统的过程中，也出现了一些技术挑战。衍射光栅意外变暗，这归咎于强光束与真空室中残留分子相互作用时形成的碳沉积物。团队设定了安全操作限值，以防止进一步损坏。

自2023年10月启用以来，ZEUS已开展了11项实验，涉及来自22个机构的58名研究人员，其中包括国际参与者。该设施的用户模式与其他主要研究中心（例如SLAC国家加速器实验室的LCLS-II）类似，并且已经吸引了全球合作。