近日，美國密歇根大學(xué)的3拍瓦“ZEUS”激光器獲得了美國國家科學(xué)基金會1850萬美元的資助，預(yù)計將于2022年初開始首次實(shí)驗(yàn)。這項舉措將助力美國重回高功率激光設(shè)施擁有者和使用者的行列。

Zettawatt-Equivalent Ultrashort Pulse Laser System，即Zettawatt等效超短脈沖激光系統(tǒng)，在超快光學(xué)科學(xué)中心已近建成，該中心主任Karl Krushelnick說：“我們真的很期待這個新設(shè)施使更多令人興奮的實(shí)驗(yàn)成為可能”。

■ZEUS的全功率3拍瓦（1拍瓦等于1千萬億瓦）激光脈沖與電子束碰撞，在真空中產(chǎn)生了成對的電子和它們的反粒子——正電子。這個實(shí)驗(yàn)將探索量子電動力學(xué)（Quantum Electrodynamics-QED，是解釋光和物質(zhì)相互作用的領(lǐng)先理論）的極限。（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學(xué)）

1996年美國制造了世界上第一臺拍瓦激光器，但當(dāng)時還難以跟其他國家正在建設(shè)的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時歐洲的兩臺10拍瓦（petawatt）激光器和中國的一臺5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一臺100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那么大的原始功率，但它可模擬比3拍瓦大約強(qiáng)一百萬倍的激光。

1996年美國制造了世界上第一臺拍瓦激光器，但當(dāng)時還難以跟其他國家正在建設(shè)的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時歐洲的兩臺10拍瓦（ petawatt）激光器和中國的一臺5.3拍瓦激光器以及中國計劃建造的一臺100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒有那么大的原始功率，但它可模擬一種比它的3拍瓦大約強(qiáng)一百萬倍的激光。

■ZEUS激光脈沖將用于產(chǎn)生100億電子伏特的電子束（圖片來源：Steve Alvey/密歇根大學(xué)）

ZEUS將主要用于研究極端等離子體，在這種物質(zhì)狀態(tài)下電子脫離其原子核，形成相當(dāng)于帶電氣體的物質(zhì)。該設(shè)施所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)預(yù)計將有助于理解諸多天體物理現(xiàn)象和其他難題，比如宇宙如何在亞原子水平上運(yùn)行、黑洞如何產(chǎn)生噴流、物質(zhì)如何在極快的時間尺度上變化，以及用于開發(fā)用于醫(yī)學(xué)成像和治療的更小、更高效的粒子加速器。

ZEUS建造項目經(jīng)理Franko Bayer說：“與耗資數(shù)十億建造的大型粒子加速器相比，用‘桌面’微型激光技術(shù)制造的極端等離子體為物理學(xué)基礎(chǔ)研究提供了一種成本更低的替代方案。正是因?yàn)檫@樣的技術(shù)支持，使美國等離子體科學(xué)界在U-M能夠制定長期研究計劃。”

首先，三個目標(biāo)區(qū)域中的一個將以半拍瓦（即峰值功率的六分之一）啟動實(shí)驗(yàn)。該激光器每秒鐘將向由氣體制成的目標(biāo)發(fā)射一個或五個超短激光脈沖，每個脈沖持續(xù)20至25萬億分之一秒，并將氣體原子轉(zhuǎn)化為等離子體。該系統(tǒng)將在兩年內(nèi)逐步達(dá)到滿功率，計劃于2023年10月開始其標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)和用戶操作。

這種裝置最終可把全功率激光束送入真空室，在那里激光束將聚焦在氣體靶上，相撞的電子束向相反的方向移動，從而模擬更高功率的拍瓦激光器?？梢酝ㄟ^這樣的數(shù)據(jù)來更加直觀地了解這兩個的區(qū)別：1petawatt是1千萬億瓦，即1000000000000000瓦（1后面有15個零）；一個zetawatt是1000000000000000000000瓦（1后面有21個零）。ZEUS名字也正來源于此。當(dāng)滿功率時，脈沖每分鐘都會出現(xiàn)。

隨著ZEUS設(shè)施達(dá)到滿負(fù)荷，國家科學(xué)基金會的資金也將逐步增加，2021年10月一開始提供100萬美元，從2025年10月開始的那一年則提供550萬美元，這也是該獎項的最后一年。ZEUS預(yù)計將作為美國最強(qiáng)大的激光器，并且在建成后十多年對用戶開放。作為一個國際用戶設(shè)施，它可使來自世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊都能夠前往U-M進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。屆時，用戶可提交申請方案，經(jīng)由外部科學(xué)家和工程師小組進(jìn)行評估，一旦獲準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中不需要任何費(fèi)用。

美國國家科學(xué)基金會等離子體物理項目主任Vyacheslav (Slava) Lukin說:“我們期待著美國國家科學(xué)基金會ZEUS用戶設(shè)施為美國和國際科學(xué)界提供的最高強(qiáng)度激光的能力不斷提升，也期待這一設(shè)施能夠有更多的使用機(jī)會。從光和物質(zhì)的基礎(chǔ)物理，到像blazars這樣強(qiáng)大的天體物理現(xiàn)象，再到緊湊型粒子加速器，該設(shè)施的用戶一定能夠在推動技術(shù)前沿的同時探索更廣泛的物理現(xiàn)象。”