Første lys ved den mest kraftfulde laser i USA

Laseren, der vil være den mest kraftfulde i USA, forbereder sig på at sende sine første impulser ind i et eksperimentelt mål ved University of Michigan.

Kaldet ZEUS, Zetawatt-ækvivalent Ultrashort pulse laser System, vil det udforske fysikken i kvanteuniverset såvel som det ydre rum, og det forventes at bidrage til nye teknologier inden for medicin, elektronik og national sikkerhed.

"ZEUS vil være den højeste peak power laser i USA og blandt de mest kraftfulde lasersystemer i verden. Vi ser frem til at vokse forskersamfundet og bringe folk ind med nye ideer til eksperimenter og anvendelser," sagde Karl Krushelnick, direktør for Center for Ultrafast Optical Science, som huser ZEUS, og Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.

Det første målområde, der kommer op at køre, er målområdet med høj gentagelse, som kører eksperimenter med hyppigere, men lavere effekt laserimpulser. Michigan-alun Franklin Dollar, en lektor i fysik og astronomi ved University of California Irvine, er den første bruger, og hans team er ved at udforske en ny form for røntgenbilleder.

De vil bruge ZEUS til at sende infrarøde laserimpulser ind i et gasmål af helium og forvandle det til plasma. Det plasma accelererer elektroner til høje energier, og disse elektronstråler vrikker så for at producere meget kompakte røntgenimpulser.

Dollars team undersøger, hvordan man laver og bruger disse nye slags røntgenkilder. Fordi blødt væv absorberer røntgenstråler med meget samme hastighed, skal grundlæggende medicinske røntgenmaskiner levere høje doser af stråling, før de kan skelne mellem en tumor og sundt væv, sagde han.

Men under sine doktorgradsstudier under Krushelnick brugte Dollar ZEUS' forgænger til at afbilde en damselfly, der viste løftet om laserlignende røntgenimpulser. Forskellige blødt væv i damselfly's skjold forsinkede røntgenstråler i forskellig grad, hvilket skabte interferensmønstre i røntgenbølgerne. Disse mønstre afslørede de bløde strukturer med meget korte røntgenimpulser - nogle få milliontedele af en milliardtedel af et sekund - og dermed små røntgendoser.

"Vi kunne se hvert eneste lille organ såvel som de små mikrohår på dets ben," sagde Dollar. "Det er meget spændende at tænke på, hvordan vi kunne bruge disse laserlignende røntgenstråler til at lave lavdosis-billeddannelse ved at udnytte det faktum, at de er laserlignende i stedet for at skulle stole på fortidens absorptionsbilleddannelse. "

I denne første kørsel starter ZEUS-teamet med en effekt på 30 terawatt (30 billioner watt), omkring 3 % af de nuværende mest kraftfulde lasere i USA og 1 % af ZEUS's eventuelle maksimale effekt.

"Under eksperimentet her vil vi sætte det første lys igennem til målkammeret og udvikle os mod det 300 terawatt niveau," sagde John Nees, en forsker i elektro- og computerteknik.

Nees leder bygningen af ​​laseren sammen med Anatoly Maksimchuk, en forsker i elektro- og computerteknik, som leder udviklingen af ​​eksperimentelle områder.

Dollars hold planlægger at vende tilbage sent på efteråret for endnu et løb, og sigter mod den fulde effekt, der er beregnet til det høje gentagelsesmålområde, 500 terawatt. Den maksimale effekt på 3 petawatt, eller quadrillion watt, vil gå til forskellige målområder for at blive afsluttet senere. Den første test med målområdet for ZEUS' signatureksperiment forventes i 2023.

Dette eksperiment vil bruge laseren til at generere en stråle af højhastighedselektroner og derefter køre elektronerne direkte ind i laserimpulserne. For elektronerne simulerer det en zetawatt-laserpuls - en million gange kraftigere end ZEUS's 3 petawatt. Ud over at undersøge grundlaget for vores forståelse af kvanteuniverset, vil ZEUS gøre det muligt for forskere at studere, hvad der foregår inde i nogle af de mest ekstreme objekter i rummet.

"Magnetarer, som er neutronstjerner med ekstremt stærke magnetiske felter omkring dem, og objekter som aktive galaktiske kerner omgivet af meget varmt plasma - vi kan genskabe mikrofysikken af ​​varmt plasma i ekstremt stærke felter i laboratoriet," siger Louise Willingale, associeret direktør. af ZEUS og en lektor i elektro- og computerteknik.

ZEUS tilbyder ikke kun videnskabelige og teknologiske muligheder, men med den disciplinomfattende indsats for at vokse laserfysik-arbejdsstyrken, skaber det også karrieremuligheder. Dollar tog hele sit team med for at få den praktiske oplevelse af et idriftsættelseseksperiment med en laser i verdensklasse. + Udforsk yderligere

University of Michigans ZEUS vil være den mest kraftfulde laser i USA