De laser die de krachtigste in de Verenigde Staten zal zijn, bereidt zich voor om zijn eerste pulsen naar een experimenteel doelwit aan de Universiteit van Michigan te sturen.

Met de naam ZEUS, het Zetawatt-equivalente ultrakorte pulslasersysteem, zal het de fysica van het kwantumuniversum en de ruimte onderzoeken, en het zal naar verwachting bijdragen aan nieuwe technologieën op het gebied van geneeskunde, elektronica en nationale veiligheid.

"ZEUS wordt de laser met het hoogste piekvermogen in de VS en een van de krachtigste lasersystemen ter wereld. We kijken ernaar uit om de onderzoeksgemeenschap te laten groeien en mensen binnen te halen met nieuwe ideeën voor experimenten en toepassingen", aldus Karl Krushelnick, directeur van het Center for Ultrafast Optical Science, waar ZEUS is gevestigd, en de Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.

Het eerste doelgebied dat aan de slag gaat, is het doelgebied met hoge herhalingen, dat experimenten uitvoert met frequentere laserpulsen met een lager vermogen. Franklin Dollar uit Michigan, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de University of California Irvine, is de eerste gebruiker en zijn team onderzoekt een nieuw soort röntgenbeeldvorming.

Ze zullen ZEUS gebruiken om infrarode laserpulsen naar een gasdoel van helium te sturen en het in plasma te veranderen. Dat plasma versnelt elektronen tot hoge energieën, en die elektronenbundels wiebelen dan om zeer compacte röntgenpulsen te produceren.

Het team van Dollar onderzoekt hoe deze nieuwe soorten röntgenbronnen kunnen worden gemaakt en gebruikt. Omdat zachte weefsels röntgenstralen met zeer vergelijkbare snelheden absorberen, moeten medische röntgenapparaten hoge doses straling afgeven voordat ze onderscheid kunnen maken tussen een tumor en gezond weefsel, zei hij.

Maar tijdens zijn doctoraatsstudie onder Krushelnick gebruikte Dollar de voorganger van ZEUS om een ​​waterjuffer af te beelden, wat de belofte van laserachtige röntgenpulsen liet zien. Verschillende zachte weefsels in het schild van de waterjuffer vertraagden de röntgenstraling in verschillende mate, waardoor interferentiepatronen in de röntgengolven ontstonden. Die patronen onthulden de zachte structuren met zeer korte röntgenpulsen - een paar miljoenste van een miljardste van een seconde - en dus kleine röntgenstralingsdoses.

"We konden elk klein orgaan zien, evenals de kleine microhaartjes op zijn been", zei Dollar. "Het is heel opwindend om te bedenken hoe we deze laserachtige röntgenstralen kunnen gebruiken om beeldvorming met een lage dosis te maken, gebruikmakend van het feit dat ze laserachtig zijn in plaats van te moeten vertrouwen op de absorptiebeeldvorming uit het verleden. "

In deze eerste run begint het ZEUS-team met een vermogen van 30 terawatt (30 biljoen watt), ongeveer 3% van de huidige krachtigste lasers in de VS en 1% van het uiteindelijke maximale vermogen van ZEUS.

"Tijdens het experiment hier laten we het eerste licht door naar de doelkamer en ontwikkelen we ons naar dat niveau van 300 terawatt", zegt John Nees, een onderzoekswetenschapper in elektrische en computertechniek.

Nees leidt de bouw van de laser samen met Anatoly Maksimchuk, een onderzoekswetenschapper in elektrische en computertechniek, die de ontwikkeling van de experimentele gebieden leidt.

Het team van Dollar is van plan om laat in de herfst terug te keren voor een nieuwe run, met als doel het volledige vermogen voor het doelgebied met veel herhalingen, 500 terawatt. Het maximale vermogen van 3 petawatt, of quadriljoen watt, gaat naar verschillende doelgebieden die later worden voltooid. De eerste test met het doelgebied voor het kenmerkende experiment van ZEUS wordt verwacht in 2023.

Dat experiment zal de laser gebruiken om een ​​bundel hogesnelheidselektronen te genereren en de elektronen vervolgens rechtstreeks in de laserpulsen te laten lopen. Voor de elektronen simuleert dat een zetawatt-laserpuls - een miljoen keer krachtiger dan de 3 petawatt van ZEUS. Naast het onderzoeken van de fundamenten van ons begrip van het kwantumuniversum, zal ZEUS onderzoekers in staat stellen te bestuderen wat er gaande is in enkele van de meest extreme objecten in de ruimte.

"Magnetars, dit zijn neutronensterren met extreem sterke magnetische velden eromheen, en objecten zoals actieve galactische kernen omringd door zeer heet plasma - we kunnen de microfysica van heet plasma in extreem sterke velden in het laboratorium recreëren", zegt Louise Willingale, associate director van ZEUS en universitair hoofddocent elektrische en computertechniek.

ZEUS biedt niet alleen wetenschappelijke en technologische kansen, maar met de disciplinebrede inspanning om het aantal laserfysica-medewerkers te laten groeien, creëert het ook carrièremogelijkheden. Dollar bracht zijn hele team mee om de praktijkervaring op te doen van een inbedrijfstellingsexperiment bij een laser van wereldklasse. + Verder verkennen

ZEUS van de Universiteit van Michigan wordt de krachtigste laser in de VS