美国拥有了新的最强激光器，功率达到2拍瓦（2 Petawatts）
2025年5月19日 2025年5月21日
美国拥有了新的最强激光器
由 NSF 资助的 U-M 的 ZEUS 设施功率达到2拍瓦（2 Petawatts），可以用于改进医疗、国家安全、材料科学等领域的研究。
作者： Kate McAlpine 阅读时长：7分钟
专家
Karl Krushelnick
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Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science 主任
Henry J Gomberg 工程学教授
核工程与放射科学教授
Anatoly Maksimchuk
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电气与计算机工程研究科学家
John Nees
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电气与计算机工程研究科学家
Franko Bayer
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Zettawatt-Equivalent Ultrashort Pulse Laser System (ZEUS) 项目经理
密歇根大学的 ZEUS 激光设施的峰值功率约为美国其他任何激光器的两倍，其首次官方实验功率为 2 拍瓦（2 petawatts，即2千万亿瓦）。
虽然这个巨大的功率超过全球电力输出的 100 倍，但它仅持续激光脉冲的短暂时间，即 25 昆提秒（quintillionths of a second）长。
Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science（ZEUS 的所在地）主任 Karl Krushelnick 说：“这个里程碑标志着美国高场科学（American high field science）进入未开发领域的实验的开始。”
ZEUS 的研究将应用于医学、国家安全、材料科学和天体物理学，以及等离子体科学和量子物理学。 在美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）的支持下，ZEUS 是一个用户设施，这意味着来自全国和国际的研究团队可以提交实验方案，这些方案将经过独立的筛选过程。
加州大学欧文分校物理学和天文学教授 Franklin Dollar 说：“ZEUS 的一大优点是它不仅仅是一个大的激光锤，还可以将光束分成多个光束。”他的团队正在进行第一次 2 拍瓦的用户实验。“拥有像这样的国家资源，将时间分配给那些实验概念最有希望推进科学优先事项的用户，这确实将高强度激光科学带回了美国。”
新闻报道： The Verge ZEUS 现在是美国最强大的激光器，功率为 2 拍瓦 (2 Petawatts)
Dollar 的团队和 ZEUS 团队的目标是产生能量等同于长度数百米的粒子加速器所产生的电子束。这将比之前在 ZEUS 设施中产生的任何电子束的能量高 5-10 倍。
U-M 电气与计算机工程研究科学家 Anatoly Maksimchuk 说：“我们的目标是使用两个独立激光束，一个形成引导通道，另一个加速电子通过它，从而达到更高的电子能量。”他负责实验区域的开发。
通过钛蓝宝石晶体观察，该晶体有助于将功率传输到 ZEUS 的激光脉冲中。凭借 2 拍瓦的功率，ZEUS 现在是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程
他们希望部分通过重新设计的目标来实现这一目标。他们延长了容纳气体的单元，在本次实验中是氦气，激光脉冲会冲击这些气体。这种相互作用产生等离子体，从原子中剥离电子，使气体变成自由电子和带正电离子的混合物。这些电子在激光脉冲后面加速，就像唤醒冲浪者紧随快艇之后一样，这种现象称为尾波场加速。
光在等离子体中移动得更慢，使电子能够赶上它。在密度较低、较长的目标中，电子在赶上激光脉冲之前花费更多的时间加速，从而使它们能够达到更高的最高速度。
ZEUS 功率的演示为预计在今年晚些时候进行的标志性实验铺平了道路，届时加速的电子将与来自相反方向的激光脉冲碰撞。在电子的移动框架中，3 拍瓦的激光脉冲看起来将强大一百万倍，达到 zettawatt 级的脉冲。这赋予了 ZEUS 全名“Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System”（泽塔瓦特当量超短激光脉冲系统）。
NSF 物理学部项目主任 Vyacheslav Lukin 说：“在 NSF ZEUS 设施进行的基础研究具有许多可能的应用，包括改进软组织成像方法以及推进用于治疗癌症和其他疾病的技术。”该部门负责监督 ZEUS 项目。“使用 ZEUS 独特功能的科学家将以新的方式扩展人类知识的边界，并为美国的创新和经济增长提供新的机会。”
ZEUS 设施的空间大小与学校体育馆相似。在房间的一个角落，激光器产生初始红外脉冲。称为衍射光栅的光学设备及时将其拉伸，以便当泵浦激光器将功率注入脉冲时，它不会变得如此强烈以至于开始撕裂空气。在最大时，脉冲的宽度为 12 英寸，长度为几英尺。
经过四轮泵浦激光器添加能量后，脉冲进入真空室。另一组光栅将其展平为一个 12 英寸的圆盘，该圆盘仅有 8 微米厚，约为一张打印纸的 10 倍薄。即使宽度为 12 英寸，它的强度也可能将空气变成等离子体，但随后它被聚焦到 0.8 微米宽，以便将最大强度传递到实验中。
John Nees（左）和激光工程师 Richard Van Camp（右）检查激光脉冲放大柜内光学元件的对准情况。凭借 2 拍瓦的功率，ZEUS 现在是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程
U-M 电气与计算机工程研究科学家 John Nees 说：“作为中等规模的设施，我们的运营比粒子加速器或国家点火装置等大型设施更灵活。”他领导了 ZEUS 激光器的建造。“这种开放性吸引了来自更广泛科学界的新想法。”
达到 2 拍瓦的道路是缓慢而谨慎的。仅仅是获得组装系统所需的部件就比预期的要困难。最大的挑战是一种注入了钛原子的蓝宝石晶体。它的直径几乎为 7 英寸，是系统最终放大器的关键组件，可将激光脉冲推至全功率。
John Nees（左）和激光工程师 Paul Campbell（右）在目标区域 1 工作，第一个 2 拍瓦的用户实验将在此进行。ZEUS 现在是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程
ZEUS 项目经理 Franko Bayer 说：“我们将在夏季获得的晶体将使我们达到 3 拍瓦，制造它花费了四年半的时间。”“我们拥有的钛蓝宝石晶体尺寸，在世界上只有少数几个。”
与此同时，从之前的 HERCULES 激光器的 300 太瓦功率跃升到 ZEUS 上的 1 拍瓦，导致光栅出现令人担忧的变暗现象。首先，他们必须确定原因：它们是被永久性损坏，还是仅仅是被真空室中漂浮的分子被强大的光束撕裂而产生的碳沉积物所致？
当结果证明是碳沉积物时，Nees 和激光团队必须弄清楚在清洁之间可以安全运行多少次激光发射。如果光栅变得太暗，它们可能会以损坏路径上更远的光学元件的方式扭曲激光脉冲。
激光工程师 Gregg Sucha 在 ZEUS 实验室的控制室里举起一张在照相纸上的激光烧灼痕迹。该测试揭示了扩展的激光脉冲在进入压缩器时可能存在的潜在破坏性热点，压缩器会将其缩小为微小、强烈且强大的激光脉冲。这些线条来自最终放大晶体中的缺陷，在 ZEUS 达到其 3 拍瓦的全部功率之前，必须更换该晶体。凭借 2 拍瓦的功率，ZEUS 现在是美国最强大的激光器。图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程
最后，自 2023 年 10 月盛大开幕以来，ZEUS 团队已经总共花了 15 个月的时间运行用户实验，因为使用 1 拍瓦激光器仍然可以进行大量科学研究。到目前为止，它已经接待了 11 个独立的实验，总共有 58 位来自 22 个机构的实验人员，其中包括国际研究人员。在接下来的一年里，在用户实验之间，ZEUS 团队将继续升级系统，使其达到全部功率。
Krushelnick 还是 Henry J. Gomberg 工程学教授以及核工程与放射科学、电气与计算机工程和物理学教授。