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近日，美國(guó)密歇根大學(xué)的3拍瓦“ZEUS”激光器獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)1850萬(wàn)美元的資助，預(yù)計(jì)將于2022年初開始首次實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)舉措將助力美國(guó)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(shuō)：“我們真的很期待這個(gè)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(wàn)億瓦）激光脈沖與電子束碰撞，在真空中產(chǎn)生了成對(duì)的電子和它們的反粒子——正電子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將探索量子電動(dòng)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(lái)源：Steve Alvey/密歇根大學(xué)）
1996年美國(guó)制造了世界上第一臺(tái)拍瓦激光器，但當(dāng)時(shí)還難以跟其他國(guó)家正在建設(shè)的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時(shí)歐洲的兩臺(tái)10拍瓦（petawatt）激光器和中國(guó)的一臺(tái)5.3拍瓦激光器以及中國(guó)計(jì)劃建造的一臺(tái)100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒(méi)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(wàn)倍的激光。
1996年美國(guó)制造了世界上第一臺(tái)拍瓦激光器，但當(dāng)時(shí)還難以跟其他國(guó)家正在建設(shè)的更具“雄心”的激光器系統(tǒng)比肩，比如那時(shí)歐洲的兩臺(tái)10拍瓦（ petawatt）激光器和中國(guó)的一臺(tái)5.3拍瓦激光器以及中國(guó)計(jì)劃建造的一臺(tái)100拍瓦激光器。雖然這種新的激光器沒(méi)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(wàn)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(lái)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(jì)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(shí)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(xiàng)目經(jīng)理Franko Bayer說(shuō)：“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(guó)等離子體科學(xué)界在U-M能夠制定長(zhǎng)期研究計(jì)劃。”
首先，三個(gè)目標(biāo)區(qū)域中的一個(gè)將以半拍瓦（即峰值功率的六分之一）啟動(dòng)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(gè)或五個(gè)超短激光脈沖，每個(gè)脈沖持續(xù)20至25萬(wàn)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(jì)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(dòng)，從而模擬更高功率的拍瓦激光器。可以通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)來(lái)更加直觀地了解這兩個(gè)的區(qū)別：1petawatt是1千萬(wàn)億瓦，即1000000000000000瓦（1后面有15個(gè)零）；一個(gè)zetawatt是1000000000000000000000瓦（1后面有21個(gè)零）。ZEUS名字也正來(lái)源于此。當(dāng)滿功率時(shí)，脈沖每分鐘都會(huì)出現(xiàn)。
隨著ZEUS設(shè)施達(dá)到滿負(fù)荷，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資金也將逐步增加，2021年10月一開始提供100萬(wàn)美元，從2025年10月開始的那一年則提供550萬(wàn)美元，這也是該獎(jiǎng)項(xiàng)的最后一年。ZEUS預(yù)計(jì)將作為美國(guó)最強(qiáng)大的激光器，并且在建成后十多年對(duì)用戶開放。作為一個(gè)國(guó)際用戶設(shè)施，它可使來(lái)自世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)都能夠前往U-M進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。屆時(shí)，用戶可提交申請(qǐng)方案，經(jīng)由外部科學(xué)家和工程師小組進(jìn)行評(píng)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等離子體物理項(xiàng)目主任Vyacheslav (Slava) Lukin說(shuō):“我們期待著美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)ZEUS用戶設(shè)施為美國(guó)和國(guó)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(huì)。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(dòng)技術(shù)前沿的同時(shí)探索更廣泛的物理現(xiàn)象。”
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