由美國國家科學(xué)基金會(huì)資助、密歇根大學(xué)建設(shè)的ZEUS激光裝置近日首次實(shí)現(xiàn)2拍瓦（2千萬億瓦）能量發(fā)射，其峰值功率達(dá)到美國現(xiàn)有運(yùn)行激光器的近兩倍。該裝置將為醫(yī)學(xué)、國家安全、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供支持。

這一巨大能量爆發(fā)僅持續(xù)激光脈沖的極短時(shí)間 —— 250億億分之一秒，其瞬時(shí)功率超過全球電網(wǎng)總功率的100多倍。"這一里程碑標(biāo)志著美國高場強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)入未知領(lǐng)域，"ZEUS所在地杰拉德·穆魯超快光學(xué)中心主任卡爾·克魯謝爾尼克表示。

跨學(xué)科科學(xué)與社會(huì)應(yīng)用

除等離子體科學(xué)和量子物理研究外，ZEUS的實(shí)驗(yàn)成果還將應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、國家安全、材料科學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域。作為美國國家科學(xué)基金會(huì)資助的用戶裝置，全球研究團(tuán)隊(duì)均可提交實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)獨(dú)立評(píng)審后使用該設(shè)施。

"ZEUS的優(yōu)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(xué)歐文分校物理與天文學(xué)教授富蘭克林·多拉爾表示。其團(tuán)隊(duì)正在開展首次2拍瓦用戶實(shí)驗(yàn)。"這種國家級(jí)設(shè)施將優(yōu)先支持最具科學(xué)突破潛力的實(shí)驗(yàn)方案，真正讓美國重歸高強(qiáng)度激光科學(xué)研究前沿。"

產(chǎn)生粒子加速器級(jí)光束

多拉爾團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用ZEUS產(chǎn)生能量堪比數(shù)百米長粒子加速器的電子束，其能量將達(dá)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(dǎo)通道，另一束加速電子，"密歇根大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程研究員安納托利·馬克西姆丘克解釋道。

團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了靶材結(jié)構(gòu)，延長了激光脈沖作用的氦氣室。當(dāng)脈沖通過時(shí)，會(huì)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(jī)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(shí)間加速，從而達(dá)到極高速度。

邁向澤瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)為ZEUS的標(biāo)志性研究奠定基礎(chǔ) —— 今年晚些時(shí)候，加速電子將與反向傳播的激光脈沖對(duì)撞。從電子視角看，3拍瓦激光脈沖將放大至澤瓦級(jí)。該現(xiàn)象使ZEUS得名"澤瓦等效超短脈沖激光系統(tǒng)"。

"ZEUS的基礎(chǔ)研究具有多重應(yīng)用前景，包括改進(jìn)軟組織成像技術(shù)、推進(jìn)癌癥等疾病治療方法，"美國國家科學(xué)基金會(huì)物理學(xué)部項(xiàng)目主任維雅切斯拉夫·盧金表示，"科學(xué)家將憑借ZEUS的獨(dú)特性能以新方式拓展人類知識(shí)邊界，為美國創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)增長注入新動(dòng)力。"

精巧裝置與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

ZEUS裝置占地僅相當(dāng)于學(xué)校體育館。激光器在角落產(chǎn)生初始紅外脈沖，衍射光柵對(duì)其進(jìn)行時(shí)域展寬，確保泵浦激光注入能量時(shí)不會(huì)因強(qiáng)度過高撕裂空氣。脈沖最大尺寸達(dá)直徑12英寸（約30厘米），長度數(shù)英尺。

經(jīng)過四輪泵浦激光能量注入后，脈沖進(jìn)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(dāng)于打印紙十分之一）的光盤。即使在此尺寸下，其強(qiáng)度仍可使空氣電離成等離子體，但最終會(huì)聚焦至0.8微米寬以實(shí)現(xiàn)最大實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度。

"作為中型設(shè)施，我們比粒子加速器或國家點(diǎn)火裝置等大型設(shè)施更具靈活性，"ZEUS激光建設(shè)負(fù)責(zé)人約翰·尼斯表示，"這種開放性吸引了更廣泛科學(xué)界的新思路。"

全功率建設(shè)挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)2拍瓦的過程充滿挑戰(zhàn)。僅系統(tǒng)組裝所需部件的獲取就比預(yù)期困難。最關(guān)鍵的是直徑近7英寸（約18厘米）的鈦藍(lán)寶石晶體 —— 系統(tǒng)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(shí)四年半，"ZEUS項(xiàng)目經(jīng)理弗蘭科·拜爾表示，"現(xiàn)有尺寸的鈦藍(lán)寶石晶體全球僅有數(shù)塊。"

此外，從 predecessor HERCULES激光器的300太瓦升級(jí)至ZEUS的1拍瓦時(shí)，曾出現(xiàn)光柵變暗問題。團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)是強(qiáng)光束撕裂真空室內(nèi)漂浮分子形成的碳沉積所致，而非永久損傷。尼斯團(tuán)隊(duì)必須精確計(jì)算每次清潔間的安全發(fā)射次數(shù)，避免光柵過暗導(dǎo)致脈沖畸變損害光學(xué)元件。

自2023年10月正式運(yùn)行以來，ZEUS已累計(jì)開展15個(gè)月的用戶實(shí)驗(yàn) —— 1拍瓦功率仍能支持大量科學(xué)研究。目前已完成11項(xiàng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，吸引來自22個(gè)機(jī)構(gòu)的58名研究者（含國際學(xué)者）。未來一年，ZEUS團(tuán)隊(duì)將在用戶實(shí)驗(yàn)間隙繼續(xù)升級(jí)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)全部潛能。

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