近日，美國密歇根大學的3拍瓦“ZEUS”激光器獲得了美國國家科學基金會1850萬美元的資助，預計將于2022年初開始首次實驗。這項舉措將助力美國重回高功率激光設施擁有者和使用者的行列。

Zettawatt-Equivalent Ultrashort Pulse Laser System，即Zettawatt等效超短脈沖激光系統(tǒng)，在超快光學科學中心已近建成，該中心主任Karl Krushelnick說：“我們真的很期待這個新設施使更多令人興奮的實驗成為可能”。

■ZEUS的全功率3拍瓦（1拍瓦等于1千萬億瓦）激光脈沖與電子束碰撞，在真空中產(chǎn)生了成對的電子和它們的反粒子——正電子。這個實驗將探索量子電動力學（Quantum Electrodynamics-QED，是解釋光和物質(zhì)相互作用的領(lǐng)先理論）的極限。（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學）

1996年美國制造了世界上第一臺拍瓦激光器，但當時還難以跟其他國家正在建設的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時歐洲的兩臺10拍瓦（petawatt）激光器和中國的一臺5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一臺100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那么大的原始功率，但它可模擬比3拍瓦大約強一百萬倍的激光。

1996年美國制造了世界上第一臺拍瓦激光器，但當時還難以跟其他國家正在建設的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時歐洲的兩臺10拍瓦（ petawatt）激光器和中國的一臺5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一臺100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那么大的原始功率，但它可模擬一種比它的3拍瓦大約強一百萬倍的激光。

■ZEUS激光脈沖將用于產(chǎn)生100億電子伏特的電子束（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學）

ZEUS將主要用于研究極端等離子體，在這種物質(zhì)狀態(tài)下電子脫離其原子核，形成相當于帶電氣體的物質(zhì)。該設施所進行的實驗預計將有助于理解諸多天體物理現(xiàn)象和其他難題，比如宇宙如何在亞原子水平上運行、黑洞如何產(chǎn)生噴流、物質(zhì)如何在極快的時間尺度上變化，以及用于開發(fā)用于醫(yī)學成像和治療的更小、更高效的粒子加速器。

ZEUS建造項目經(jīng)理Franko Bayer說：“與耗資數(shù)十億建造的大型粒子加速器相比，用‘桌面’微型激光技術(shù)制造的極端等離子體為物理學基礎研究提供了一種成本更低的替代方案。正是因為這樣的技術(shù)支持，使美國等離子體科學界在U-M能夠制定長期研究計劃?！?/p>

首先，三個目標區(qū)域中的一個將以半拍瓦（即峰值功率的六分之一）啟動實驗。該激光器每秒鐘將向由氣體制成的目標發(fā)射一個或五個超短激光脈沖，每個脈沖持續(xù)20至25萬億分之一秒，并將氣體原子轉(zhuǎn)化為等離子體。該系統(tǒng)將在兩年內(nèi)逐步達到滿功率，計劃于2023年10月開始其標志性實驗和用戶操作。

這種裝置最終可把全功率激光束送入真空室，在那里激光束將聚焦在氣體靶上，相撞的電子束向相反的方向移動，從而模擬更高功率的拍瓦激光器?？梢酝ㄟ^這樣的數(shù)據(jù)來更加直觀地了解這兩個的區(qū)別：1petawatt是1千萬億瓦，即1000000000000000瓦（1后面有15個零）；一個zetawatt是1000000000000000000000瓦（1后面有21個零）。ZEUS名字也正來源于此。當滿功率時，脈沖每分鐘都會出現(xiàn)。

隨著ZEUS設施達到滿負荷，國家科學基金會的資金也將逐步增加，2021年10月一開始提供100萬美元，從2025年10月開始的那一年則提供550萬美元，這也是該獎項的最后一年。ZEUS預計將作為美國最強大的激光器，并且在建成后十多年對用戶開放。作為一個國際用戶設施，它可使來自世界各地的實驗團隊都能夠前往U-M進行實驗。屆時，用戶可提交申請方案，經(jīng)由外部科學家和工程師小組進行評估，一旦獲準進行實驗，在后續(xù)的實驗中不需要任何費用。

美國國家科學基金會等離子體物理項目主任Vyacheslav (Slava) Lukin說:“我們期待著美國國家科學基金會ZEUS用戶設施為美國和國際科學界提供的最高強度激光的能力不斷提升，也期待這一設施能夠有更多的使用機會。從光和物質(zhì)的基礎物理，到像blazars這樣強大的天體物理現(xiàn)象，再到緊湊型粒子加速器，該設施的用戶一定能夠在推動技術(shù)前沿的同時探索更廣泛的物理現(xiàn)象?！?/p>