美国密歇根大学3拍瓦ZEUS激光装置计划2022年初开始首次实验

图1. ZEUS的全功率3拍瓦(1拍瓦等于1千万亿瓦)激光脉冲与电子束碰撞，在真空中产生了成对的电子和它们的反粒子——正电子。

该装置将主要用于极端等离子体的研究，即一种电子脱离原子并形成带电气体的物质状态。将有助于理解诸多天体物理现象和其他难题，如宇宙如何在亚原子水平上运行、黑洞如何产生喷流、物质如何在极快的时间尺度上变化，以及用于开发用于医学成像和治疗的更小、更高效的粒子加速器。

首先，三个目标区域中的一个将以半拍瓦(即峰值功率的六分之一)进行实验。该激光装置每秒钟向由气体制成的目标发射1个或5个超短激光脉冲，每个脉冲持续20至25万亿分之一秒，并将气体原子转化为等离子体。该装置将在两年内逐步达到满功率，计划于2023年10月开始其标志性实验和用户操作。该装置最终可把全功率激光束送入真空室，聚焦在气体靶上，相撞的电子束向相反的方向移动，从而模拟更高功率的Zetawatt激光装置。

图2. ZEUS激光脉冲将用于产生100亿电子伏特的电子束。

超快光学科学中心主任Karl Krushelnick表示，我们非常期待这个新装置将开展的激动人心的实验。

ZEUS建设项目经理Franko Bayer表示，与耗资数十亿建造的大型粒子加速器相比，用“桌面”微型激光技术制造的极端等离子体为物理学基础研究提供了一种成本更低的替代方案。正是因为这样的技术支持，使我们美国等离子体科学界在密歇根大学能够制定长期研究计划。

NSF等离子体物理项目主任Vyacheslav (Slava) Lukin表示，我们期待NSF ZEUS为美国和国际科学界提供最高强度激光的能力不断提升，也期待这一装置能够有更多的使用机会。从光和物质的基础物理，到像blazars这样强大的天体物理现象，再到紧凑型粒子加速器，该装置的用户一定能够在推动技术前沿的同时探索更广泛的物理现象。

美国于1996年建造了全球首台拍瓦级激光装置，目前美国激光装置的最高峰值功率为1拍瓦，分别位于劳伦斯伯克利国家实验室以及得州大学。密歇根大学3拍瓦ZEUS激光装置于2019年9月开始建设。全球激光装置的最高峰值功率为5.3拍瓦，为我国中科院上海市光学精密机械研究所超强超短激光实验装置(SULF)。我国还计划建设100拍瓦的激光装置。