Første lys på den kraftigste laseren i USA

Laseren som vil være den kraftigste i USA forbereder seg på å sende sine første pulser inn i et eksperimentelt mål ved University of Michigan.

Kalt ZEUS, Zetawatt-ekvivalent ultrakort puls laser System, vil det utforske fysikken til kvanteuniverset så vel som det ytre rom, og det forventes å bidra til nye teknologier innen medisin, elektronikk og nasjonal sikkerhet.

“ZEUS vil være den høyeste toppeffektlaseren i USA og blant de kraftigste lasersystemene i verden. Vi ser frem til å utvide forskningsmiljøet og bringe inn folk med nye ideer for eksperimenter og applikasjoner,” sa Karl Krushelnick, direktør for Center for Ultrafast Optical Science, som huser ZEUS, og Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.

Det første målområdet som kommer i gang er målområdet med høy repetisjon, som kjører eksperimenter med hyppigere, men lavere effekt laserpulser. Michigan-alun Franklin Dollar, en førsteamanuensis i fysikk og astronomi ved University of California Irvine, er den første brukeren, og teamet hans utforsker en ny type røntgenbilder.

De vil bruke ZEUS til å sende infrarøde laserpulser inn i et gassmål av helium, og gjøre det om til plasma. Det plasmaet akselererer elektroner til høye energier, og disse elektronstrålene vrir seg for å produsere svært kompakte røntgenpulser.

Dollars team undersøker hvordan man lager og bruker disse nye typene røntgenkilder. Fordi mykt vev absorberer røntgenstråler med svært like hastigheter, må grunnleggende medisinske røntgenmaskiner levere høye doser stråling før de kan skille mellom en svulst og sunt vev, sa han.

Men under doktorgradsstudiene under Krushelnick brukte Dollar ZEUSs forgjenger til å avbilde en damselfly, som viste løftet om laserlignende røntgenpulser. Forskjellig mykt vev innenfor damselfly’s carapace forsinket røntgenstråler i forskjellige grader, skaper interferensmønstre i røntgenbølgene. Disse mønstrene avslørte de myke strukturene med svært korte røntgenpulser – noen få milliondeler av en milliarddels sekund – og derav små røntgendoser.

“Vi kunne se hvert eneste lille organ så vel som de små mikrohårene på benet,” sa Dollar. “Det er veldig spennende å tenke på hvordan vi kan bruke disse laserlignende røntgenstrålene til å gjøre lavdosebilder, og dra nytte av det faktum at de er laserlignende i stedet for å måtte stole på fortidens absorpsjonsavbildning. “

I denne første kjøringen starter ZEUS-teamet med en effekt på 30 terawatt (30 billioner watt), omtrent 3 % av de nåværende kraftigste laserne i USA og 1 % av ZEUSs eventuelle maksimale effekt.

“Under eksperimentet her, vil vi sette det første lyset gjennom til målkammeret og utvikle oss mot det 300 terawatt-nivået,” sa John Nees, en forsker innen elektro- og datateknikk.

Nees leder byggingen av laseren sammen med Anatoly Maksimchuk, en forsker innen elektro- og datateknikk, som leder utviklingen av de eksperimentelle områdene.

Dollars team planlegger å returnere sent på høsten for et nytt løp, med sikte på full effekt beregnet på målområdet med høy repetisjon, 500 terawatt. Den maksimale effekten på 3 petawatt, eller kvadrillioner watt, vil gå til forskjellige målområder som skal fullføres senere. Den første testen som bruker målområdet for ZEUS sitt signatureksperiment er forventet i 2023.

Det eksperimentet vil bruke laseren til å generere en stråle med høyhastighetselektroner og deretter kjøre elektronene direkte inn i laserpulsene. For elektronene simulerer det en zetawatt-laser puls—en million ganger kraftigere enn ZEUS sine 3 petawatt. I tillegg til å undersøke grunnlaget for vår forståelse av kvanteuniverset, vil ZEUS gjøre det mulig for forskere å studere hva som foregår inne i noen av de mest ekstreme objektene i verdensrommet.

“Magnetarer, som er nøytronstjerner med ekstremt sterke magnetfelt rundt seg, og gjenstander som aktive galaktiske kjerner omgitt av veldig varmt plasma – vi kan gjenskape mikrofysikken til varmt plasma i ekstremt sterke felt i laboratoriet,” sa Louise Willingale, førsteamanuensis i ZEUS og førsteamanuensis i elektro- og datateknikk.

ZEUS tilbyr ikke bare vitenskapelige og teknologiske muligheter, men med den disiplinomfattende innsatsen for å utvide laserfysikkarbeidsstyrken, skaper det også karrieremuligheter. Dollar tok med hele teamet sitt for å få den praktiske opplevelsen av et igangkjøringseksperiment med en laser i verdensklasse.

---

---