美国最强大的激光器试验装置将在密歇根大学启用

美国正寻求在高功率激光设备领域再次发力。近期，密歇根大学新建成的一个设施宣布将在本周将举行它的首次调试实验，该设施将成为美国最强大的激光器，也是世界上最强大的激光系统之一。

ZEUS实际上是密歇根大学0.5兆瓦激光器“HERCULES”的升级版。消息显示，上述实验将在兹瓦特当量超短脉冲激光系统（ZEUS）中进行，由加州大学欧文分校的研究人员具体开展执行。

在首次运行中，ZEUS团队的启动功率为3拍瓦（10的15次方瓦），约为目前美国最强大激光器的3%，是ZEUS最终最大功率的1%。

（图片来源：Michigan Engineering）

据悉，此前美国国家科学基金会（NSF）宣布授予密歇根大学1850万美元，用于建立ZEUS并将之作为联邦政府资助的国际用户设施。一个由科学家和工程师组成的外部小组建议，被选中进行研究的实验方案的用户仅需提供自己前往该设施的旅费，无需支付其他任何费用。最终这些建议将根据科学价值和技术可行性进行选择。

这处坐落于密歇根大学Gérard Mourou超快光学科学中心大楼的特殊设施正式启用后，研究团队将利用其开展一系列关键实验。此后，该系统将逐步升级提高到全功率，并有望在2023年秋天开始ZEUS标志性的实验。ZEUS预计将作为开放用户设施运行至少10年。

25年前，美国建造了世界上第一台兆瓦级激光器，但可惜未能跟上欧洲（2台10拍瓦激光器）和亚洲（中国的5.3拍瓦激光器）更雄心勃勃的激光器系统的步伐。当下，虽然ZEUS的原始功率还不及国外的同类激光器那样高，但它所模拟的激光功率大约比3千瓦功率要高出100万倍。

据悉，ZEUS将主要用于研究极端等离子体，在这种物质状态下，电子有足够的能量逃离原子，产生带电粒子的“海洋”。宇宙中几乎所有可见的部分都是由等离子体构成的，太阳其实就是等离子体的一个“组合体”。

本周将开展的实验预计将有助于理解宇宙如何在亚原子水平上运行，以及材料如何在快速的时间尺度上变化。科学家们还希望他们能开发出更小、更紧凑的粒子加速器，广泛应用于科学、技术、工程和医学成像与治疗领域。

据介绍，第一个启动并运行的目标区域将以半千瓦时(峰值功率的六分之一)进行试验。这种激光将以每秒1-5个超短激光脉冲的速度发射，每个脉冲的持续时间在20到25千万亿分之一秒之间。密歇根大学校友、加州大学欧文分校(University of California Irvine)物理和天文学副教授Franklin Dollar将成为首个用户，他的团队正在探索一种新的X射线成像技术。

上周，他和加州大学欧文分校的4名研究生已抵达密歇根，开始为他们的实验做准备。Franklin Dollar表示：“我们这个领域的主要挑战之一是获得高质量的强激光。ZEUS不仅将成为欧洲大陆上最强大的激光束，更重要的是它将提供多种强大的激光束。ZEUS不仅能用激光产生高能等离子体，还可以用第二束光与等离子体相互作用。”

他们将使用ZEUS向氦气靶发送红外激光脉冲，将其转化为等离子体。等离子体将电子加速到高能量，然后这些电子束会摆动产生非常紧凑的X射线脉冲。在此前的成像过程中，具有非常短的X射线脉冲的软结构（只有十亿分之一秒的百万分之一）他们希望们以利用这些类激光X射线进行低剂量医学成像（low-dose imaging），用于区分肿瘤和健康组织等场景。