Кто мощнее всех на свете?

Мичиганский университет запускает сверхбыстрый и сверхмощный лазер ZEUS

Лазер ZEUS является самым мощным лазером в США с усилением чирпированных импульсов и возможностью работы с несколькими лазерными лучами.

Центр сверхбыстрых оптических исследований Жерара Муру Мичиганского университета является домом для ZEUS, также известного как лазерная система сверхкоротких импульсов, эквивалентная зеттаватту. Это самый мощный лазер в США и один из самых мощных в мире, что делает его особенно привлекательным для исследователей, изучающих экстремальную плазму.

«Во время работы ZEUS буквально будет самым жарким местом в городе , — говорит Луиза Виллингейл, заместитель директора ZEUS и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета. «Это дает нам повышенную мощность (3 ПВт) и уникальную конфигурацию, чтобы мы могли проводить исследования мирового уровня в будущем».

Петаваттный лазерный импульс ZEUS сталкивается с электронным пучком с энергией гигаэлектронвольт (ГэВ), генерируемым одной из двух его линий луча, и эта геометрия обеспечивает эквивалент взаимодействия лазера мощностью зетаватт (10^21 Вт) в пределах системы покоя электронного луча.

Название лазера связано с этим характерным экспериментом, и Виллингейл говорит, что «ожидается, что квантовые электродинамические эффекты изменят поведение электронного луча, подвергающегося воздействию этих сильных полей».

Усиление чирпированных импульсов

Всегда возникают проблемы при сборке большой и сложной лазерной системы — все ее элементы должны быть выровнены и синхронизированы с высокой точностью, чтобы обеспечить оптимальную производительность системы.

«ZEUS спроектирован так, чтобы быть максимально гибким, чтобы вместить множество потенциальных экспериментальных конфигураций», — говорит Виллингейл. «У него есть три разные целевые области, и каждая из них имеет немного разные возможности для разных исследовательских проектов».

В основе концепции создания мощных импульсов ZEUS лежит усиление чирпированных импульсов (CPA), разработанное Жераром Муру и Донной Стрикленд в 1985 году, которые в конечном итоге были удостоены Нобелевской премии по физике 2018 года за свою работу. Не разрушая усиливающий материал, CPA создает ультракороткие высокоинтенсивные импульсы.

«Ультракороткий начальный импульс с энергией 1 нДж растягивается во времени для уменьшения его мощности», — говорит Виллингейл. «Чирпированный импульс затем безопасно усиливается на 11 порядков до высокой энергии, сохраняя при этом свою полосу пропускания, прежде чем он повторно сжимается для формирования ультракороткого мощного импульса. Затем мы используем мощный лазерный импульс для экспериментов по физике плазмы, фокусируя импульс в крошечном фокусном объеме, так что интенсивность может превышать 10^22 Вт/см2, достигая условий чрезвычайно сильного поля».

Возможность использования нескольких лазерных лучей

Одним из самых крутых аспектов ZEUS является возможность использования нескольких лазерных лучей, «что позволяет нам проводить эксперименты по изучению интенсивности, в миллион раз превышающей возможности одного лазерного луча», — говорит Анатолий Максимчук, научный сотрудник Мичиганского университета в области электротехники и вычислительной техники. инженер, который ведет разработку экспериментальных участков.

Это делается путем «столкновения вакуумного пучка электронов с энергией в несколько ГэВ, создаваемого одним лучом, с сильно сфокусированным лазерным лучом, с другим плечом», — говорит он. «Такое взаимодействие позволит исследовать структуру квантового вакуума и производить материю и антиматерию — пары электронов и позитронов — из ничего».

Сила для научных исследований

ZEUS может помочь ученым исследовать фундаментальные вопросы нелинейной квантовой электродинамики в релятивистской плазме, такие как реакция квантового излучения и механизмы образования электрон-позитронных пар.

Лазер позволит проводить эксперименты с накачкой и зондированием с использованием фемтосекундного рентгеновского излучения в качестве исследования динамики материалов в сверхкоротких временных масштабах, создания пучков ионов ГэВ, генерации нестабильностей в электронно-позитронных струях, исследования эффектов поляризации вакуума, релятивистской астрофизической физики.

«Лазерно-плазменное взаимодействие может генерировать ультракороткие высокоэнергетические источники частиц и фотонов», — говорит Виллингейл. «Эти источники можно использовать для исследования плазменных процессов или для изучения более широких приложений, таких как материаловедение, медицинская визуализация и т. д.».

Сейчас ZEUS работает как пользовательское оборудование, и первая группа пользователей недавно провела самый первый эксперимент — при пониженной мощности. «Мы готовимся к полному запуску объекта для внешних пользователей в конце следующего года», — говорит Виллингейл. «Скоро будет объявлен первый конкурс предложений, и доступ к объекту будет предоставлен через независимую экспертную группу в соответствии с научными достоинствами и осуществимостью».