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(hui) 1850萬(wan) 美元的資助，預計將於(yu) 2022年初開始首次實驗。這項舉(ju) 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等效超短脈衝(chong) 激光係統，在超快光學科學中心已近建成，該中心主任Karl Krushelnick說：“我們(men) 真的很期待這個(ge) 新設施使更多令人興(xing) 奮的實驗成為(wei) 可能”。

■ZEUS的全功率3拍瓦（1拍瓦等於(yu) 1千萬(wan) 億(yi) 瓦）激光脈衝(chong) 與(yu) 電子束碰撞，在真空中產(chan) 生了成對的電子和它們(men) 的反粒子——正電子。這個(ge) 實驗將探索量子電動力學（Quantum Electrodynamics-QED，是解釋光和物質相互作用的領先理論）的極限。（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學）

1996年美國製造了世界上第一台拍瓦激光器，但當時還難以跟其他國家正在建設的更具“雄心”的激光器係統比肩，比如那時歐洲的兩(liang) 台10拍瓦（petawatt）激光器和中國的一台5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一台100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那麽(me) 大的原始功率，但它可模擬比3拍瓦大約強一百萬(wan) 倍的激光。

1996年美國製造了世界上第一台拍瓦激光器，但當時還難以跟其他國家正在建設的更具“雄心”的激光器係統比肩，比如那時歐洲的兩(liang) 台10拍瓦（ petawatt）激光器和中國的一台5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一台100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那麽(me) 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(wan) 倍的激光。

■ZEUS激光脈衝(chong) 將用於(yu) 產(chan) 生100億(yi) 電子伏特的電子束（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學）

ZEUS將主要用於(yu) 研究極端等離子體(ti) ，在這種物質狀態下電子脫離其原子核，形成相當於(yu) 帶電氣體(ti) 的物質。該設施所進行的實驗預計將有助於(yu) 理解諸多天體(ti) 物理現象和其他難題，比如宇宙如何在亞(ya) 原子水平上運行、黑洞如何產(chan) 生噴流、物質如何在極快的時間尺度上變化，以及用於(yu) 開發用於(yu) 醫學成像和治療的更小、更高效的粒子加速器。

ZEUS建造項目經理Franko Bayer說：“與(yu) 耗資數十億(yi) 建造的大型粒子加速器相比，用‘桌麵’微型激光技術製造的極端等離子體(ti) 為(wei) 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(wei) 這樣的技術支持，使美國等離子體(ti) 科學界在U-M能夠製定長期研究計劃。”

首先，三個(ge) 目標區域中的一個(ge) 將以半拍瓦（即峰值功率的六分之一）啟動實驗。該激光器每秒鍾將向由氣體(ti) 製成的目標發射一個(ge) 或五個(ge) 超短激光脈衝(chong) ，每個(ge) 脈衝(chong) 持續20至25萬(wan) 億(yi) 分之一秒，並將氣體(ti) 原子轉化為(wei) 等離子體(ti) 。該係統將在兩(liang) 年內(nei) 逐步達到滿功率，計劃於(yu) 2023年10月開始其標誌性實驗和用戶操作。

這種裝置最終可把全功率激光束送入真空室，在那裏激光束將聚焦在氣體(ti) 靶上，相撞的電子束向相反的方向移動，從(cong) 而模擬更高功率的拍瓦激光器。可以通過這樣的數據來更加直觀地了解這兩(liang) 個(ge) 的區別：1petawatt是1千萬(wan) 億(yi) 瓦，即1000000000000000瓦（1後麵有15個(ge) 零）；一個(ge) zetawatt是1000000000000000000000瓦（1後麵有21個(ge) 零）。ZEUS名字也正來源於(yu) 此。當滿功率時，脈衝(chong) 每分鍾都會(hui) 出現。

隨著ZEUS設施達到滿負荷，國家科學基金會(hui) 的資金也將逐步增加，2021年10月一開始提供100萬(wan) 美元，從(cong) 2025年10月開始的那一年則提供550萬(wan) 美元，這也是該獎項的最後一年。ZEUS預計將作為(wei) 美國最強大的激光器，並且在建成後十多年對用戶開放。作為(wei) 一個(ge) 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，在後續的實驗中不需要任何費用。

美國國家科學基金會(hui) 等離子體(ti) 物理項目主任Vyacheslav (Slava) Lukin說:“我們(men) 期待著美國國家科學基金會(hui) ZEUS用戶設施為(wei) 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(hui) 。從(cong) 光和物質的基礎物理，到像blazars這樣強大的天體(ti) 物理現象，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前沿的同時探索更廣泛的物理現象。”