美国ZEUS激光创纪录：2皮瓦特功率，引领成像、癌症治疗与天体物理学新飞跃

在密歇根大学的校园内，一座看似不起眼的建筑内，却蕴藏着足以撼动科学界的力量——ZEUS激光设施。近日，这座激光界的“巨无霸”成功实现了2皮瓦特（2千万亿瓦特）的峰值功率输出，不仅刷新了美国乃至全球激光技术的记录，更为成像、癌症治疗、天体物理学等多个领域开辟了全新的研究路径。

随着首个2皮瓦特实验的成功完成，ZEUS正以前所未有的姿态，推动着高领域科学的边界。这个耗资1600万美元的设施，在密歇根大学与美国国家科学基金会的共同支持下，成为了一个开放给全球研究团队的用户设施。尽管其规模宏大、潜力无限，但密歇根大学却将其描述为一个“便宜货”，足见其在科研价值上的无与伦比。

ZEUS的首次正式实验年便取得了举世瞩目的成就。其输出的2皮瓦特峰值功率，是美国其他任何激光器输出功率的两倍，甚至超过了世界总发电量的100倍。尽管这一爆发仅持续了25万亿分之一秒，但它却为科学家们提供了一个前所未有的研究工具，让他们能够探索那些曾经遥不可及的科学领域。

“这一里程碑标志着美国高领域科学实验进入了一个全新的、未被探索的领域，”ZEUS所在的杰拉德·穆鲁超快光学科学中心主任卡尔·克鲁舍尼克激动地表示。ZEUS不仅是一个强大的激光器，更是一个集成了先进技术的科研平台。它采用了双啁啾脉冲放大器和可编程声光滤波器等先进技术，能够保持超短高功率脉冲所需的精确带宽和相位，从而传输出短至20飞秒的压缩脉冲。

在ZEUS的内部，一个大约相当于学校体育馆大小的空间内，分布着三个不同的目标区域。每个区域都针对特定的研究应用进行了优化。目标区域2适合进行涉及固体目标和离子加速的实验，而目标区域3则被优化用于激光尾波场加速，能够测量高达大约5 GeV的电子能量。这种分裂光束的能力，使得ZEUS的强度比单一光束大一百万倍，为科学家们研究极端现象提供了可能。

目前，ZEUS已经吸引了来自全国和世界各地的研究团队。他们通过独立的审查过程提交实验提案，确保激光的能力能够用于最有前途的科学研究。其中，加州大学欧文分校的教授富兰克林·多勒团队正在进行第一次2皮瓦特的用户实验。他们与ZEUS的科学家紧密合作，致力于产生电子束，其能量可与数百米长的粒子加速器产生的能量相媲美。

“我们的目标是使用两束独立的激光束达到更高的电子能量，”领导实验区开发的密歇根大学研究科学家Anatoly Maksimchuk解释道。他们通过延长容纳氦气的单元来重新设计目标，利用激光脉冲撞击气体时产生的等离子体来加速电子。这一过程被称为尾波场加速，它使得电子能够在更长的距离内在密度较低的扩展目标中获得更多的能量。

ZEUS的潜力远不止于此。国家科学基金会物理学分部的项目主任维亚切斯拉夫·卢金表示，ZEUS的潜在好处远远超出了物理学领域，它还将对医疗保健、技术和经济发展产生深远影响。例如，在医疗领域，ZEUS可能带来更好的软组织成像方法和促进用于治疗癌症和其他疾病的技术。同时，它也可能有助于解释天体物理现象，如黑洞的正电子喷流和伽马射线爆发，将实验室科学与宇宙中一些最神秘的事件联系起来。

然而，实现2皮瓦特的功率输出并非易事。ZEUS团队在研发过程中遇到了诸多技术挑战。例如，最终放大器所需的近7英寸直径的掺钛蓝宝石晶体就花了几年时间才获得。此外，在从300太瓦的大力神激光器向ZEUS的1太瓦系统过渡的过程中，也出现了衍射光栅意外变暗等技术问题。但ZEUS团队凭借着坚韧不拔的精神和卓越的技术实力，最终克服了这些困难。

自2023年10月开放以来，ZEUS已经成功主持了11项实验，吸引了来自22个机构的58名研究人员参与其中。这个设施的用户模型类似于其他主要研究中心，如SLAC国家加速器实验室的LCLS-II，它已经吸引了全球范围内的合作与关注。

随着ZEUS激光设施的不断升级和完善，我们有理由相信，它将在未来为科学界带来更多的惊喜和突破。无论是成像技术的革新、癌症治疗的进步还是天体物理学的深入探索，ZEUS都将成为推动这些领域发展的关键力量。