摘要：美国激光科学研究迎来历史性时刻。密歇根大学热拉尔·穆鲁超快光学科学中心的ZEUS激光设施近日成功实现2拍瓦激光输出，这一峰值功率几乎是美国现有激光器的两倍，标志着美国在超高强度激光领域重新夺回领先地位。

信息来源：https://scitechdaily.com/americas-most-powerful-laser-fires-its-first-2-petawatt-shot/

美国激光科学研究迎来历史性时刻。密歇根大学热拉尔·穆鲁超快光学科学中心的ZEUS激光设施近日成功实现2拍瓦激光输出，这一峰值功率几乎是美国现有激光器的两倍，标志着美国在超高强度激光领域重新夺回领先地位。

这一巨大能量的爆发比全球发电总量高出 100 多倍，而且只存在于激光脉冲极短的时间内，仅为 25 飞秒。“这一里程碑标志着美国高场科学实验开始进入未知领域，”ZEUS 所在地热拉尔·穆鲁超快光学科学中心主任卡尔·克鲁舍尔尼克 (Karl Krushelnick) 表示。

为了理解这一成就，我们需要区分‘功率’和‘能量’。激光的峰值功率（能量释放的速度）达到了2拍瓦，在它开启的瞬间，确实超过了全球所有发电站总功率的100倍。然而，这一切都发生在一个极短的瞬间——仅25飞秒。因此，单次脉冲释放的总能量其实非常小，大约只有50焦耳，这仅相当于让一个灯泡亮半秒钟的能量。这个实验的突破之处在于将 modest 的能量压缩到极致的时间内，从而创造出前所未有的极端物理条件。

多学科应用前景广阔

透过钛蓝宝石晶体，可以看到ZEUS激光器的能量转化为激光脉冲。ZEUS激光器的功率高达两拍瓦，是美国目前最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程公司

ZEUS设施的独特之处在于其作为国家科学基金会支持的用户设施运营模式。来自全美乃至全球的研究团队可以通过独立评审程序申请使用这一世界级科研平台，确保最有价值的科学研究项目能够获得资源支持。

该设施的应用领域涵盖了现代科学的多个前沿分野。在医学领域，超高强度激光有望推动软组织成像技术的革新，为癌症等重大疾病的诊断和治疗提供新的解决方案。材料科学研究者可以利用激光产生的极端条件模拟恒星内部环境，探索新型材料的合成路径。在国家安全和天体物理学研究中，ZEUS同样展现出巨大的应用潜力。

加州大学欧文分校物理学和天文学教授富兰克林·多拉强调了ZEUS的技术优势："这不仅仅是一把巨大的激光锤，它能够将光束分为多束，提供前所未有的实验灵活性。"这种能力使研究者能够设计更加复杂和精确的实验方案。

粒子加速技术的重大进展

John Nees（左）和激光工程师Paul Campbell（右）在目标区域1工作，这里将进行首个2拍瓦级用户实验。ZEUS目前是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程公司

ZEUS设施正在进行的首个2拍瓦用户实验展示了激光驱动粒子加速的巨大潜力。多拉团队正致力于产生能量堪比传统粒子加速器的电子束，但占用空间仅为后者的一小部分。这种激光尾流场加速技术有望彻底改变粒子物理学研究的格局。

实验过程本身就是一项技术杰作。研究团队将激光脉冲引导至填充氦气的气室中，激光的强大能量瞬间剥离原子中的电子，形成等离子体。释放的电子随后被激光脉冲的尾流捕获并加速，如同冲浪者驾驭巨浪一般。通过精心设计更长且密度更低的目标，电子有更多时间进行加速，最终达到前所未有的能量水平。

密歇根大学电气与计算机工程研究科学家阿纳托利·马克西姆丘克解释了实验的创新之处："我们使用两束独立的激光束实现更高的电子能量，一束形成引导通道，另一束负责加速电子通过该通道。"这种双束协同工作的方式显著提高了加速效率。

向泽瓦级实验迈进

左为约翰·尼斯 (John Nees)，右为激光工程师理查德·范·坎普 (Richard Van Camp)，他们正在检查机柜内用于放大激光脉冲的光学元件的对准情况。ZEUS 激光器的功率高达两拍瓦，是美国目前最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程公司

ZEUS设施的最终目标是实现泽瓦级激光实验，这也是其名称的由来——"泽瓦等效超短激光脉冲系统"。预计在今年晚些时候，ZEUS将进行具有里程碑意义的实验：让激光加速的高能电子与反向传播的激光脉冲发生碰撞。在电子的参考系中，3拍瓦的激光脉冲将被放大至泽瓦级强度。

这种极端的能量密度将使科学家能够研究以往无法触及的物理现象，包括量子电动力学的非线性效应和真空的非线性响应等基础物理问题。

工程挑战与技术突破

ZEUS设施的建设过程充满挑战。整个系统占地相当于学校体育馆，激光脉冲从房间一角的初始红外源开始，经过复杂的放大和压缩过程。关键的衍射光栅技术确保脉冲在放大过程中不会因过强而损坏空气介质。

最终的激光脉冲被压缩成直径12英寸、厚度仅8微米的圆盘状，比打印纸薄10倍。随后进一步聚焦至0.8微米宽度，在焦点处达到实验所需的极高强度。

在ZEUS实验室的控制室里，激光工程师Gregg Sucha手持相纸上的激光烧痕。这项测试揭示了扩展激光脉冲进入压缩机时可能存在的潜在破坏性热点，这些热点会将其压缩成微小、强烈且强大的激光脉冲。这些痕迹源于最终放大晶体的缺陷，ZEUS必须更换晶体才能达到3拍瓦的峰值功率。ZEUS的功率为2拍瓦，目前是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程公司

项目建设中最大的技术难题是获取关键的钛蓝宝石晶体。这块直径近7英寸的晶体是系统最终放大器的核心组件，制造周期长达四年半。ZEUS项目经理弗兰科·拜尔指出："这种尺寸的钛蓝宝石晶体在全世界都屈指可数，我们今年夏天获得的新晶体将使系统达到3拍瓦的设计功率。"

除了材料挑战，研究团队还必须解决功率提升带来的光学元件损伤问题。从HERCULES激光器的300太瓦跃升至ZEUS的1拍瓦时，光栅出现令人担忧的变暗现象。经过仔细分析，团队发现这是由于强激光束撕裂真空室中残余分子形成碳沉积所致。为此，他们建立了精确的清洁周期管理程序，确保光学元件的最佳性能。

美国激光科学的复兴

自2023年10月正式启用以来，ZEUS设施已经支持了11项独立实验，吸引了来自22个机构的58名研究人员参与，其中包括国际合作者。作为中型设施，ZEUS在运营灵活性方面具有独特优势，相比于大型粒子加速器或国家点火装置，能够更好地适应不同研究团队的需求。

国家科学基金会物理部门项目主任维亚切斯拉夫·卢金表示："ZEUS设施进行的基础研究具有多种潜在应用，将以新的方式拓展人类知识的前沿，为美国的创新和经济增长提供新机遇。"

ZEUS的成功不仅代表了美国在超高强度激光领域的技术复兴，更为全球科学界提供了一个世界级的研究平台。随着系统持续升级和优化，预计在未来一年内将充分发挥其3拍瓦的设计潜力，为人类探索物质和能量的极限奠定坚实基础。

这一成就标志着激光科学进入了一个新的发展阶段，为从基础物理到实用技术的广泛领域带来了前所未有的研究机遇。随着ZEUS设施的全面运行，美国在国际激光科学竞争中重新确立了领导地位。

来源：人工智能学家