美國最強激光器首次實現2拍瓦能量發射

由美國國家科學基金會資助、密歇根大學建設的ZEUS激光裝置近日首次實現2拍瓦（2千萬億瓦）能量發射，其峰值功率達到美國現有運行激光器的近兩倍。該裝置將為醫學、國家安全、材料科學等領域的研究提供支持。

這一巨大能量爆發僅持續激光脈沖的極短時間 —— 250億億分之一秒，其瞬時功率超過全球電網總功率的100多倍。"這一里程碑標志著美國高場強科學實驗開始進入未知領域，"ZEUS所在地杰拉德·穆魯超快光學中心主任卡爾·克魯謝爾尼克表示。

跨學科科學與社會應用

除等離子體科學和量子物理研究外，ZEUS的實驗成果還將應用于醫學、國家安全、材料科學和天體物理學領域。作為美國國家科學基金會資助的用戶裝置，全球研究團隊均可提交實驗方案，經獨立評審后使用該設施。

"ZEUS的優勢在于不僅能提供巨型激光錘，還能將光束拆分為多束，"加州大學歐文分校物理與天文學教授富蘭克林·多拉爾表示。其團隊正在開展首次2拍瓦用戶實驗。"這種國家級設施將優先支持最具科學突破潛力的實驗方案，真正讓美國重歸高強度激光科學研究前沿。"

產生粒子加速器級光束

多拉爾團隊計劃利用ZEUS產生能量堪比數百米長粒子加速器的電子束，其能量將達到ZEUS歷史最高水平的5至10倍。"我們采用雙激光束方案：一束形成引導通道，另一束加速電子，"密歇根大學電子與計算機工程研究員安納托利·馬克西姆丘克解釋道。

團隊重新設計了靶材結構，延長了激光脈沖作用的氦氣室。當脈沖通過時，會剝離原子中的電子形成等離子體（自由電子與正離子的混合體）。自由電子在激光脈沖尾流中被加速，類似沖浪者在快艇尾波中滑行，這種機制被稱為"尾波加速"。

由于光在等離子體中傳播速度減緩，電子得以追上激光脈沖。更長且低密度的靶材使電子在超越脈沖前獲得更長時間加速，從而達到極高速度。

邁向澤瓦級實驗

此次實驗為ZEUS的標志性研究奠定基礎 —— 今年晚些時候，加速電子將與反向傳播的激光脈沖對撞。從電子視角看，3拍瓦激光脈沖將放大至澤瓦級。該現象使ZEUS得名"澤瓦等效超短脈沖激光系統"。

"ZEUS的基礎研究具有多重應用前景，包括改進軟組織成像技術、推進癌癥等疾病治療方法，"美國國家科學基金會物理學部項目主任維雅切斯拉夫·盧金表示，"科學家將憑借ZEUS的獨特性能以新方式拓展人類知識邊界，為美國創新與經濟增長注入新動力。"

精巧裝置與創新設計

ZEUS裝置占地僅相當于學校體育館。激光器在角落產生初始紅外脈沖，衍射光柵對其進行時域展寬，確保泵浦激光注入能量時不會因強度過高撕裂空氣。脈沖最大尺寸達直徑12英寸（約30厘米），長度數英尺。

經過四輪泵浦激光能量注入后，脈沖進入真空室。另一組光柵將其壓縮為直徑12英寸、厚度僅8微米（相當于打印紙十分之一）的光盤。即使在此尺寸下，其強度仍可使空氣電離成等離子體，但最終會聚焦至0.8微米寬以實現最大實驗強度。

"作為中型設施，我們比粒子加速器或國家點火裝置等大型設施更具靈活性，"ZEUS激光建設負責人約翰·尼斯表示，"這種開放性吸引了更廣泛科學界的新思路。"

全功率建設挑戰

實現2拍瓦的過程充滿挑戰。僅系統組裝所需部件的獲取就比預期困難。最關鍵的是直徑近7英寸（約18厘米）的鈦藍寶石晶體 —— 系統最終放大器的核心元件。

"今夏將到貨的晶體可使功率升至3拍瓦，其制造耗時四年半，"ZEUS項目經理弗蘭科·拜爾表示，"現有尺寸的鈦藍寶石晶體全球僅有數塊。"

此外，從 predecessor HERCULES激光器的300太瓦升級至ZEUS的1拍瓦時，曾出現光柵變暗問題。團隊最終確認是強光束撕裂真空室內漂浮分子形成的碳沉積所致，而非永久損傷。尼斯團隊必須精確計算每次清潔間的安全發射次數，避免光柵過暗導致脈沖畸變損害光學元件。

自2023年10月正式運行以來，ZEUS已累計開展15個月的用戶實驗 —— 1拍瓦功率仍能支持大量科學研究。目前已完成11項獨立實驗，吸引來自22個機構的58名研究者（含國際學者）。未來一年，ZEUS團隊將在用戶實驗間隙繼續升級系統以實現全部潛能。

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