近日，美国密歇根大学的3拍瓦“ZEUS”激光器获得了美国国家科学基金会1850万美元的资助，预计将于2022年初开始首次实验。这项举措将助力美国重回高功率激光设施拥有者和使用者的行列。

Zettawatt-Equivalent Ultrashort Pulse Laser System，即Zettawatt等效超短脉冲激光系统，在超快光学科学中心已近建成，该中心主任Karl Krushelnick说：“我们真的很期待这个新设施使更多令人兴奋的实验成为可能”。

■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。这个实验将探索量子电动力学（Quantum Electrodynamics-QED，是解释光和物质相互作用的领先理论）的极限。（图片来源：Steve Alvey/密歇根大学）

1996年美国制造了世界上第一台拍瓦激光器，但当时还难以跟其他国家正在建设的更具“雄心”的激光器系统比肩，比如那时欧洲的两台10拍瓦（petawatt）激光器和中国的一台5.3拍瓦激光器以及中国计划建造的一台100拍瓦激光器。虽然这种新的激光器没有那么大的原始功率，但它可模拟比3拍瓦大约强一百万倍的激光。

1996年美国制造了世界上第一台拍瓦激光器，但当时还难以跟其他国家正在建设的更具“雄心”的激光器系统比肩，比如那时欧洲的两台10拍瓦（ petawatt）激光器和中国的一台5.3拍瓦激光器以及中国计划建造的一台100拍瓦激光器。虽然这种新的激光器没有那么大的原始功率，但它可模拟一种比它的3拍瓦大约强一百万倍的激光。

■ZEUS激光脉冲将用于产生100亿电子伏特的电子束（图片来源：Steve Alvey/密歇根大学）

ZEUS将主要用于研究极端等离子体，在这种物质状态下电子脱离其原子核，形成相当于带电气体的物质。该设施所进行的实验预计将有助于理解诸多天体物理现象和其他难题，比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。

ZEUS建造项目经理Franko Bayer说：“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，使美国等离子体科学界在U-M能够制定长期研究计划。”

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）启动实验。该激光器每秒钟将向由气体制成的目标发射一个或五个超短激光脉冲，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。该系统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。

这种装置最终可把全功率激光束送入真空室，在那里激光束将聚焦在气体靶上，相撞的电子束向相反的方向移动，从而模拟更高功率的拍瓦激光器。可以通过这样的数据来更加直观地了解这两个的区别：1petawatt是1千万亿瓦，即1000000000000000瓦（1后面有15个零）；一个zetawatt是1000000000000000000000瓦（1后面有21个零）。ZEUS名字也正来源于此。当满功率时，脉冲每分钟都会出现。

随着ZEUS设施达到满负荷，国家科学基金会的资金也将逐步增加，2021年10月一开始提供100万美元，从2025年10月开始的那一年则提供550万美元，这也是该奖项的最后一年。ZEUS预计将作为美国最强大的激光器，并且在建成后十多年对用户开放。作为一个国际用户设施，它可使来自世界各地的实验团队都能够前往U-M进行实验。届时，用户可提交申请方案，经由外部科学家和工程师小组进行评估，一旦获准进行实验，在后续的实验中不需要任何费用。

美国国家科学基金会等离子体物理项目主任Vyacheslav (Slava) Lukin说:“我们期待着美国国家科学基金会ZEUS用户设施为美国和国际科学界提供的最高强度激光的能力不断提升，也期待这一设施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，该设施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。”