Lasern som kommer att vara den mest kraftfulla i USA förbereder sig för att skicka sina första pulser till ett experimentellt mål vid University of Michigan.

Kallas ZEUS, Zetawatt-ekvivalent ultrakort pulslasersystem, det kommer att utforska fysiken i kvantuniversum såväl som yttre rymden, och det förväntas bidra till ny teknik inom medicin, elektronik och nationell säkerhet.

"ZEUS kommer att vara den högsta toppeffektlasern i USA och bland de mest kraftfulla lasersystemen i världen. Vi ser fram emot att växa forskarsamhället och ta in människor med nya idéer för experiment och tillämpningar", säger Karl Krushelnick, chef för Center for Ultrafast Optical Science, som inrymmer ZEUS, och Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.

Det första målområdet att komma igång är målområdet med hög upprepning, som kör experiment med mer frekventa men lägre effekt laserpulser. Michigan-alun Franklin Dollar, docent i fysik och astronomi vid University of California Irvine, är den första användaren och hans team undersöker en ny typ av röntgenbild.

De kommer att använda ZEUS för att skicka infraröda laserpulser till ett gasmål av helium och förvandla det till plasma. Den plasman accelererar elektroner till höga energier, och de elektronstrålarna vickar sedan för att producera mycket kompakta röntgenpulser.

Dollars team undersöker hur man gör och använder dessa nya typer av röntgenkällor. Eftersom mjuka vävnader absorberar röntgenstrålar i mycket liknande hastighet, måste grundläggande medicinska röntgenapparater leverera höga doser av strålning innan de kan skilja mellan en tumör och frisk vävnad, sa han.

Men under sina doktorandstudier under Krushelnick använde Dollar ZEUS föregångare för att avbilda en damselfly, som visade löftet om laserliknande röntgenpulser. Olika mjuka vävnader i damselfly ryggsköld försenade röntgenstrålar i olika grad, vilket skapade interferensmönster i röntgenvågorna. Dessa mönster avslöjade de mjuka strukturerna med mycket korta röntgenpulser – några miljondelar av en miljarddels sekund – och därmed små röntgendoser.

"Vi kunde se varje litet organ såväl som de små mikrohåren på dess ben," sa Dollar. "Det är väldigt spännande att tänka på hur vi skulle kunna använda dessa laserliknande röntgenstrålar för att göra lågdosbilder, och dra nytta av det faktum att de är laserliknande snarare än att behöva förlita sig på det förflutnas absorptionsavbildning. "

I denna första körning börjar ZEUS-teamet med en effekt på 30 terawatt (30 biljoner watt), cirka 3 % av de nuvarande mest kraftfulla lasrarna i USA och 1 % av ZEUS:s slutliga maximala effekt.

"Under experimentet här kommer vi att sätta det första ljuset igenom till målkammaren och utvecklas mot den nivån på 300 terawatt", säger John Nees, forskare inom el- och datateknik.

Nees leder byggandet av lasern tillsammans med Anatoly Maksimchuk, en forskare inom el- och datateknik, som leder utvecklingen av experimentområdena.

Dollars team planerar att återvända sent på hösten för en ny körning, med sikte på den fulla effekten avsedd för målområdet med höga repetitioner, 500 terawatt. Den maximala effekten på 3 petawatt, eller quadrillion watt, kommer att gå till olika målområden för att slutföras senare. Det första testet som använder målområdet för ZEUS:s signaturexperiment väntas 2023.

Det experimentet kommer att använda lasern för att generera en stråle av höghastighetselektroner och sedan köra elektronerna direkt in i laserpulserna. För elektronerna simulerar det en zetawatt-laserpuls - en miljon gånger kraftfullare än ZEUS:s 3 petawatt. Förutom att undersöka grunden för vår förståelse av kvantuniversumet kommer ZEUS att göra det möjligt för forskare att studera vad som pågår inuti några av de mest extrema objekten i rymden.

"Magnetarer, som är neutronstjärnor med extremt starka magnetfält runt dem, och objekt som aktiva galaktiska kärnor omgivna av mycket het plasma - vi kan återskapa mikrofysiken i het plasma i extremt starka fält i laboratoriet", säger Louise Willingale, biträdande direktör. från ZEUS och en docent i elektro- och datateknik.

ZEUS erbjuder inte bara vetenskapliga och tekniska möjligheter, utan med den disciplinövergripande ansträngningen att växa laserfysikpersonalen skapar det också karriärmöjligheter. Dollar tog med hela sitt team för att få den praktiska upplevelsen av ett driftsättningsexperiment med en laser i världsklass. + Utforska vidare

University of Michigans ZEUS kommer att vara den mest kraftfulla lasern i USA