美国最强激光器首次实现2拍瓦能量发射

由美国国家科学基金会资助、密歇根大学建设的ZEUS激光装置近日首次实现2拍瓦（2千万亿瓦）能量发射，其峰值功率达到美国现有运行激光器的近两倍。该装置将为医学、国家安全、材料科学等领域的研究提供支持。

这一巨大能量爆发仅持续激光脉冲的极短时间 —— 250亿亿分之一秒，其瞬时功率超过全球电网总功率的100多倍。"这一里程碑标志着美国高场强科学实验开始进入未知领域，"ZEUS所在地杰拉德·穆鲁超快光学中心主任卡尔·克鲁谢尔尼克表示。

跨学科科学与社会应用

除等离子体科学和量子物理研究外，ZEUS的实验成果还将应用于医学、国家安全、材料科学和天体物理学领域。作为美国国家科学基金会资助的用户装置，全球研究团队均可提交实验方案，经独立评审后使用该设施。

"ZEUS的优势在于不仅能提供巨型激光锤，还能将光束拆分为多束，"加州大学欧文分校物理与天文学教授富兰克林·多拉尔表示。其团队正在开展首次2拍瓦用户实验。"这种国家级设施将优先支持最具科学突破潜力的实验方案，真正让美国重归高强度激光科学研究前沿。"

产生粒子加速器级光束

多拉尔团队计划利用ZEUS产生能量堪比数百米长粒子加速器的电子束，其能量将达到ZEUS历史最高水平的5至10倍。"我们采用双激光束方案：一束形成引导通道，另一束加速电子，"密歇根大学电子与计算机工程研究员安纳托利·马克西姆丘克解释道。

团队重新设计了靶材结构，延长了激光脉冲作用的氦气室。当脉冲通过时，会剥离原子中的电子形成等离子体（自由电子与正离子的混合体）。自由电子在激光脉冲尾流中被加速，类似冲浪者在快艇尾波中滑行，这种机制被称为"尾波加速"。

由于光在等离子体中传播速度减缓，电子得以追上激光脉冲。更长且低密度的靶材使电子在超越脉冲前获得更长时间加速，从而达到极高速度。

迈向泽瓦级实验

此次实验为ZEUS的标志性研究奠定基础 —— 今年晚些时候，加速电子将与反向传播的激光脉冲对撞。从电子视角看，3拍瓦激光脉冲将放大至泽瓦级。该现象使ZEUS得名"泽瓦等效超短脉冲激光系统"。

"ZEUS的基础研究具有多重应用前景，包括改进软组织成像技术、推进癌症等疾病治疗方法，"美国国家科学基金会物理学部项目主任维雅切斯拉夫·卢金表示，"科学家将凭借ZEUS的独特性能以新方式拓展人类知识边界，为美国创新与经济增长注入新动力。"

精巧装置与创新设计

ZEUS装置占地仅相当于学校体育馆。激光器在角落产生初始红外脉冲，衍射光栅对其进行时域展宽，确保泵浦激光注入能量时不会因强度过高撕裂空气。脉冲最大尺寸达直径12英寸（约30厘米），长度数英尺。

经过四轮泵浦激光能量注入后，脉冲进入真空室。另一组光栅将其压缩为直径12英寸、厚度仅8微米（相当于打印纸十分之一）的光盘。即使在此尺寸下，其强度仍可使空气电离成等离子体，但最终会聚焦至0.8微米宽以实现最大实验强度。

"作为中型设施，我们比粒子加速器或国家点火装置等大型设施更具灵活性，"ZEUS激光建设负责人约翰·尼斯表示，"这种开放性吸引了更广泛科学界的新思路。"

全功率建设挑战

实现2拍瓦的过程充满挑战。仅系统组装所需部件的获取就比预期困难。最关键的是直径近7英寸（约18厘米）的钛蓝宝石晶体 —— 系统最终放大器的核心元件。

"今夏将到货的晶体可使功率升至3拍瓦，其制造耗时四年半，"ZEUS项目经理弗兰科·拜尔表示，"现有尺寸的钛蓝宝石晶体全球仅有数块。"

此外，从 predecessor HERCULES激光器的300太瓦升级至ZEUS的1拍瓦时，曾出现光栅变暗问题。团队最终确认是强光束撕裂真空室内漂浮分子形成的碳沉积所致，而非永久损伤。尼斯团队必须精确计算每次清洁间的安全发射次数，避免光栅过暗导致脉冲畸变损害光学元件。

自2023年10月正式运行以来，ZEUS已累计开展15个月的用户实验 —— 1拍瓦功率仍能支持大量科学研究。目前已完成11项独立实验，吸引来自22个机构的58名研究者（含国际学者）。未来一年，ZEUS团队将在用户实验间隙继续升级系统以实现全部潜能。

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