Πρόσφατα, το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών παρουσίασε το eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), ένα ερευνητικό πρόγραμμα για μεγάλες επιστημονικές συσκευές που βασίζεται σε εξαιρετικάλέιζερ υψηλής ισχύος. Το έργο περιλαμβάνει την κατασκευή ενός πολύλέιζερ υψηλής ισχύοςβασισμένο στην τεχνολογία οπτικής παραμετρικής ενίσχυσης παλμών με κελαηδήματα σε κρυστάλλους διδευτέριου φωσφορικού καλίου μεγάλου ανοίγματος (DKDP, χημικός τύπος KD2PO4), με αναμενόμενη συνολική απόδοση 600 παλμών μέγιστης ισχύος PW. Αυτή η εργασία παρέχει σημαντικές λεπτομέρειες και ερευνητικά ευρήματα σχετικά με το έργο XCELS και τα συστήματα λέιζερ του, περιγράφοντας εφαρμογές και πιθανές επιπτώσεις που σχετίζονται με αλληλεπιδράσεις υπερισχυρού φωτεινού πεδίου.
Το πρόγραμμα XCELS προτάθηκε το 2011 με αρχικό στόχο την επίτευξη μέγιστης ισχύοςλέιζερΈξοδος παλμού 200 PW, η οποία αυτή τη στιγμή έχει αναβαθμιστεί στα 600 PW. Τουσύστημα λέιζερβασίζεται σε τρεις βασικές τεχνολογίες:
(1) Η τεχνολογία Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) χρησιμοποιείται αντί της παραδοσιακής Cirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) τεχνολογία·
(2) Χρησιμοποιώντας το DKDP ως μέσο κέρδους, η αντιστοίχιση φάσης υπερευρείας ζώνης πραγματοποιείται κοντά σε μήκος κύματος 910 nm.
(3) Ένα λέιζερ από γυαλί νεοδυμίου μεγάλου ανοίγματος με ενέργεια παλμού χιλιάδων joule χρησιμοποιείται για την άντληση ενός παραμετρικού ενισχυτή.
Η αντιστοίχιση φάσης εξαιρετικά ευρείας ζώνης βρίσκεται ευρέως σε πολλούς κρυστάλλους και χρησιμοποιείται σε λέιζερ femtosecond OPCPA. Οι κρύσταλλοι DKDP χρησιμοποιούνται επειδή είναι το μόνο υλικό που βρίσκεται στην πράξη που μπορεί να αναπτυχθεί σε δεκάδες εκατοστά διάφραγμα και ταυτόχρονα έχουν αποδεκτές οπτικές ιδιότητες για να υποστηρίξουν την ενίσχυση ισχύος πολλαπλών PWλέιζερ. Βρέθηκε ότι όταν ο κρύσταλλος DKDP αντλείται από το φως διπλής συχνότητας του γυάλινου λέιζερ ND, εάν το μήκος κύματος φορέα του ενισχυμένου παλμού είναι 910 nm, οι τρεις πρώτοι όροι της επέκτασης Taylor της αναντιστοιχίας του διανύσματος κύματος είναι 0.
Το σχήμα 1 είναι μια σχηματική διάταξη του συστήματος λέιζερ XCELS. Το μπροστινό άκρο παρήγαγε παλμούς femtosecond με κελαηδισμένους παλμούς με κεντρικό μήκος κύματος 910 nm (1,3 στο Σχήμα 1) και 1054 nm παλμούς νανοδευτερόλεπτου που εγχύθηκαν στο αντλούμενο λέιζερ OPCPA (1,1 και 1,2 στο Σχήμα 1). Το μπροστινό μέρος εξασφαλίζει επίσης τον συγχρονισμό αυτών των παλμών καθώς και τις απαιτούμενες ενεργειακές και χωροχρονικές παραμέτρους. Ένα ενδιάμεσο OPCPA που λειτουργεί με υψηλότερο ρυθμό επανάληψης (1 Hz) ενισχύει τον κελαηδούμενο παλμό σε δεκάδες τζάουλ (2 στο Σχήμα 1). Ο παλμός ενισχύεται περαιτέρω από το Booster OPCPA σε μία δέσμη kilojoule και διαιρείται σε 12 πανομοιότυπες υποδέσμες (4 στο Σχήμα 1). Στο τελικό 12 OPCPA, καθένας από τους 12 παλμούς φωτός που κελαηδούν ενισχύεται στο επίπεδο kilojoule (5 στο Σχήμα 1) και στη συνέχεια συμπιέζεται από 12 σχάρες συμπίεσης (GC 6 στο Σχήμα 1). Το ακουστικό-οπτικό προγραμματιζόμενο φίλτρο διασποράς χρησιμοποιείται στο μπροστινό άκρο για τον ακριβή έλεγχο της διασποράς ομαδικής ταχύτητας και της διασποράς υψηλής τάξης, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το μικρότερο δυνατό πλάτος παλμού. Το φάσμα παλμών έχει σχήμα supergauss σχεδόν 12ης τάξης και το φασματικό εύρος ζώνης στο 1% της μέγιστης τιμής είναι 150 nm, που αντιστοιχεί στο πλάτος παλμού ορίου μετασχηματισμού Fourier 17 fs. Λαμβάνοντας υπόψη την ατελή αντιστάθμιση διασποράς και τη δυσκολία της μη γραμμικής αντιστάθμισης φάσης σε παραμετρικούς ενισχυτές, το αναμενόμενο πλάτος παλμού είναι 20 fs.
Το λέιζερ XCELS θα χρησιμοποιεί δύο μονάδες διπλασιασμού συχνότητας λέιζερ γυαλιού νεοδυμίου 8 καναλιών UFL-2M (3 στο Σχήμα 1), εκ των οποίων 13 κανάλια θα χρησιμοποιηθούν για την άντληση του Booster OPCPA και 12 τελικές OPCPA. Τα υπόλοιπα τρία κανάλια θα χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητα παλμικά kilojoule νανοδευτερόλεπτωνπηγές λέιζεργια άλλα πειράματα. Περιορισμένη από το όριο οπτικής διάσπασης των κρυστάλλων DKDP, η ένταση ακτινοβολίας του αντλούμενου παλμού έχει ρυθμιστεί σε 1,5 GW/cm2 για κάθε κανάλι και η διάρκεια είναι 3,5 ns.
Κάθε κανάλι του λέιζερ XCELS παράγει παλμούς ισχύος 50 PW. Συνολικά 12 κανάλια παρέχουν συνολική ισχύ εξόδου 600 PW. Στον κύριο θάλαμο στόχο, η μέγιστη ένταση εστίασης κάθε καναλιού υπό ιδανικές συνθήκες είναι 0,44×1025 W/cm2, με την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιούνται στοιχεία εστίασης F/1 για την εστίαση. Εάν ο παλμός κάθε καναλιού συμπιεστεί περαιτέρω στα 2,6 fs με τεχνική μετα-συμπίεσης, η αντίστοιχη ισχύς παλμού εξόδου θα αυξηθεί στα 230 PW, που αντιστοιχεί στην ένταση φωτός 2,0×1025 W/cm2.
Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ένταση φωτός, στην έξοδο 600 PW, οι παλμοί φωτός στα 12 κανάλια θα εστιάζονται στη γεωμετρία της αντίστροφης διπολικής ακτινοβολίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Όταν η φάση παλμού σε κάθε κανάλι δεν είναι κλειδωμένη, η ένταση εστίασης μπορεί φτάνουν τα 9×1025 W/cm2. Εάν κάθε φάση παλμού είναι κλειδωμένη και συγχρονισμένη, η συνεπής προκύπτουσα ένταση φωτός θα αυξηθεί σε 3,2×1026 W/cm2. Εκτός από την κύρια αίθουσα-στόχο, το έργο XCELS περιλαμβάνει έως και 10 εργαστήρια χρηστών, το καθένα από τα οποία δέχεται μία ή περισσότερες δέσμες για πειράματα. Χρησιμοποιώντας αυτό το εξαιρετικά ισχυρό φωτεινό πεδίο, το έργο XCELS σχεδιάζει να πραγματοποιήσει πειράματα σε τέσσερις κατηγορίες: διεργασίες κβαντικής ηλεκτροδυναμικής σε έντονα πεδία λέιζερ. Η παραγωγή και η επιτάχυνση των σωματιδίων. Η παραγωγή δευτερογενούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Εργαστηριακή αστροφυσική, διαδικασίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και διαγνωστική έρευνα.
ΣΥΚΟ. 2 Εστίαση γεωμετρίας στον κύριο θάλαμο στόχο. Για λόγους σαφήνειας, το παραβολικό κάτοπτρο της δέσμης 6 έχει ρυθμιστεί σε διαφανές και οι δέσμες εισόδου και εξόδου δείχνουν μόνο δύο κανάλια 1 και 7
Το σχήμα 3 δείχνει τη χωρική διάταξη κάθε λειτουργικής περιοχής του συστήματος λέιζερ XCELS στο πειραματικό κτίριο. Ηλεκτρικό ρεύμα, αντλίες κενού, επεξεργασία νερού, καθαρισμός και κλιματισμός βρίσκονται στο υπόγειο. Η συνολική επιφάνεια κατασκευής είναι μεγαλύτερη από 24.000 m2. Η συνολική κατανάλωση ενέργειας είναι περίπου 7,5 MW. Το πειραματικό κτίριο αποτελείται από ένα εσωτερικό κοίλο συνολικό πλαίσιο και ένα εξωτερικό τμήμα, το καθένα χτισμένο σε δύο αποσυνδεδεμένα θεμέλια. Το κενό και άλλα συστήματα πρόκλησης κραδασμών είναι εγκατεστημένα στη βάση με απομόνωση κραδασμών, έτσι ώστε το πλάτος της διαταραχής που μεταδίδεται στο σύστημα λέιζερ μέσω της βάσης και της βάσης να μειώνεται σε λιγότερο από 10-10 g2/Hz στην περιοχή συχνοτήτων 1-200 Hz. Επιπλέον, δημιουργείται ένα δίκτυο γεωδαιτικών δεικτών αναφοράς στην αίθουσα λέιζερ για την συστηματική παρακολούθηση της μετατόπισης του εδάφους και του εξοπλισμού.
Το έργο XCELS στοχεύει στη δημιουργία μιας μεγάλης επιστημονικής ερευνητικής εγκατάστασης βασισμένης σε λέιζερ εξαιρετικά υψηλής ισχύος αιχμής. Ένα κανάλι του συστήματος λέιζερ XCELS μπορεί να παρέχει εστιασμένη ένταση φωτός πολλές φορές μεγαλύτερη από 1024 W/cm2, η οποία μπορεί να ξεπεραστεί περαιτέρω κατά 1025 W/cm2 με την τεχνολογία μετα-συμπίεσης. Με παλμούς διπολικής εστίασης από 12 κανάλια στο σύστημα λέιζερ, μπορεί να επιτευχθεί ένταση κοντά στα 1026 W/cm2 ακόμη και χωρίς μετα-συμπίεση και κλείδωμα φάσης. Εάν ο συγχρονισμός φάσης μεταξύ των καναλιών είναι κλειδωμένος, η ένταση του φωτός θα είναι αρκετές φορές υψηλότερη. Χρησιμοποιώντας αυτές τις εντάσεις παλμών που σπάνε ρεκόρ και τη διάταξη δέσμης πολλαπλών καναλιών, η μελλοντική εγκατάσταση XCELS θα μπορεί να εκτελεί πειράματα με εξαιρετικά υψηλή ένταση, πολύπλοκες κατανομές πεδίου φωτός και να διαγνώσει αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας δέσμες λέιζερ πολλαπλών καναλιών και δευτερεύουσα ακτινοβολία. Αυτό θα παίξει μοναδικό ρόλο στον τομέα της πειραματικής φυσικής του υπερισχυρού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Ώρα δημοσίευσης: Μαρ-26-2024