美国最强大的激光器达到 2 拍瓦，创下新纪录

快速阅读: 《技术点》消息，ZEUS设施成功完成首次2拍瓦实验，为高强度科学带来突破。该设施由密歇根大学管理，旨在推动多领域科研发展，包括医学、天体物理及量子物理等。ZEUS通过创新激光技术，为极端条件下的科学研究提供了全新平台。

**大图景：ZEUS推动高强度科学前沿**

随着首次2拍瓦实验的成功完成，由Gérard Mourou超快光学科学中心管理的ZEUS设施已准备好将高强度科学推向新的高度。ZEUS为研究人员提供了一种强大的新工具，用以探索和创新。尽管用户实验已经启动，团队仍在不断升级系统以充分挖掘其潜力。密歇根大学的ZEUS激光设施使美国在高强度激光科学领域处于领先地位。

在首次正式实验中，ZEUS达到了2拍瓦的峰值功率，这是美国现有任何激光器输出功率的两倍。尽管这一爆发仅持续了25亿分之一秒，但其功率超过了世界总电力输出的百倍以上，标志着美国研究能力的重要里程碑。“这一里程碑开启了美国高场科学进入未知领域实验的新纪元，”负责管理ZEUS的Gérard Mourou超快光学科学中心主任卡尔·克鲁舍尼克说。

这座耗资1600万美元的设施因其规模和潜力，被校方称为“划算的投资”。由美国国家科学基金会（NSF）支持，ZEUS作为用户设施运行，欢迎来自全国乃至世界各地的研究团队。通过独立评审程序筛选实验提案，确保激光能力用于最具前景的科学研究。ZEUS的研究成果预计将推动医学、国家安全、材料科学、天体物理学、等离子体科学和量子物理等领域的发展。

ZEUS系统主要由商用组件构建，并结合了先进的技术，包括双啁啾脉冲放大器和可编程声光滤波器，这些技术能够保持超短、高功率脉冲所需的精确带宽和相位。该激光器可以提供压缩脉冲，最短可达20飞秒，从而实现各种尖端实验。在一个大约相当于学校体育馆大小的空间内，ZEUS拥有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了设计。目标区域2专为涉及固态目标和离子加速的实验而设计，而目标区域3则优化用于激光尾波场加速，并能测量高达约5 GeV的电子能量。该设施的分束能力使其能达到单束激光强度的百万倍以上，从而能够研究极端现象，如量子真空结构以及从虚空中创造物质-反物质对。

“ZEUS的一大优点是它不仅仅是一个巨大的激光锤，还可以将光线分成多个光束，”加州大学欧文分校教授弗兰克林·道尔表示，他的团队正在2拍瓦下进行首个用户实验。道尔的团队与ZEUS科学家合作，致力于生成与数百米长粒子加速器产生的能量相当的电子束。他们的目标是在ZEUS之前实现的任何记录基础上提高电子能量五到十倍。

为了实现这一点，研究人员重新设计了目标，延长了容纳氦气的单元。当激光脉冲击中这种气体时，它会通过剥离原子的电子来产生等离子体，将气体转化为自由电子和正电荷离子的混合物。然后，电子会在激光脉冲的尾流中被加速，这个过程被称为尾流加速。由于光在等离子体中传播得更慢，电子可以赶上并搭乘脉冲，在稀疏且较长的目标中获取更多能量。这一ZEUS能力的展示为今年晚些时候即将进行的主要实验铺平了道路，其中加速的电子将与反向行进的激光脉冲碰撞。在电子的参考系中，3拍瓦的激光脉冲将看起来强大一百万倍——即泽塔瓦特级别的脉冲——这赋予了ZEUS全名：“泽塔瓦特等效超短激光脉冲系统”。

NSF物理部门项目总监维亚切斯拉夫·卢金指出，ZEUS的潜在益处远远超出物理学范畴，影响着医疗保健、技术和经济发展。“NSF ZEUS设施进行的基础研究有许多可能的应用，包括改进软组织成像方法以及推进治疗癌症和其他疾病的技术，”他说。ZEUS的实验也可能有助于解释诸如黑洞正电子喷流和伽马射线暴等天体物理现象，将实验室科学与宇宙中最神秘的一些事件联系起来。

实现2拍瓦的道路并非一帆风顺。用于最终放大器的近7英寸直径掺钛蓝宝石晶体花费了数年时间才采购到位。“我们将在夏天得到的晶体将使我们达到3拍瓦，而且它的制造花了四年半的时间，”ZEUS项目经理弗兰科·拜尔说，“我们拥有的这种掺钛蓝宝石晶体在全球范围内也屈指可数。”

在从300太瓦HERCULES激光器过渡到ZEUS 1拍瓦系统的进程中也遇到了技术难题。发现衍射光栅出现意外暗化现象，原因是强大的光束与真空室中的残余分子相互作用时形成了碳沉积。团队制定了安全操作界限以防进一步损害。

自2023年10月启用以来，ZEUS已经接待了来自22个机构的58名研究人员参与的11项实验，其中包括国际研究人员。该设施的用户模式与其他主要研究中心类似，如SLAC国家加速器实验室的LCLS-II，并且已经吸引了全球范围内的合作。

图片来源：马辛·什切潘斯基

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