Πρόσφατα, το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών εισήγαγε το Κέντρο Exawatt For Extreme Light Study (XCELS), ένα ερευνητικό πρόγραμμα για μεγάλες επιστημονικές συσκευές που βασίζονται σε εξαιρετικάΛέιζερ υψηλής ισχύος. Το έργο περιλαμβάνει την κατασκευή ενός πολύλέιζερ υψηλής ισχύοςΜε βάση την οπτική παραμετρική τεχνολογία ενίσχυσης παλμών σε φωσφορικό φωσφορικό κάλιο με μεγάλη διάφραγμα (DKDP, χημικός τύπος KD2PO4), με αναμενόμενη συνολική παραγωγή 600 PW κορυφής Peper Power. Αυτό το έργο παρέχει σημαντικές λεπτομέρειες και ερευνητικά ευρήματα σχετικά με το έργο XCELS και τα συστήματα λέιζερ του, περιγράφοντας τις εφαρμογές και τις πιθανές επιπτώσεις που σχετίζονται με εξαιρετικά ισχυρές αλληλεπιδράσεις ελαφρού πεδίου.
Το πρόγραμμα XCELS προτάθηκε το 2011 με τον αρχικό στόχο της επίτευξης μέγιστης ισχύοςλέιζερΠαράδοση παλμού των 200 PW, η οποία αναβαθμίζεται σήμερα σε 600 PW. Τουσύστημα λέιζερβασίζεται σε τρεις βασικές τεχνολογίες:
(1) Η τεχνολογία οπτικής παραμετρικής μεμβράνης παλμού (OPCPA) χρησιμοποιείται αντί της παραδοσιακής ενίσχυσης παλμών με τσιμπήματα (ενίσχυση παλμών με τσιμπήματα, OPCPA). CPA) Τεχνολογία;
(2) Χρησιμοποιώντας το DKDP ως μέσο κέρδους, η αντιστοίχιση φάσης Ultra ευρείας ζώνης πραγματοποιείται κοντά σε μήκος κύματος 910 nm.
(3) Ένα γυάλινο λέιζερ Neodymium με μεγάλο διάφραγμα με παλμική ενέργεια χιλιάδων joules χρησιμοποιείται για να αντλήσει έναν παραμετρικό 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 καλλιεργηθεί σε δεκάδες εκατοστά ανοίγματος και ταυτόχρονα έχουν αποδεκτές οπτικές ιδιότητες για να υποστηρίξουν την ενίσχυση της ισχύος πολλαπλών PWλέιζερ. Διαπιστώνεται ότι όταν ο κρύσταλλος DKDP αντλείται από το φως διπλής συχνότητας του γυάλινο λέιζερ ND, εάν το μήκος κύματος φορέα του ενισχυμένου παλμού είναι 910 nm, οι πρώτοι τρεις όροι της επέκτασης Taylor του ασταθούς διανυσμάτων κύματος είναι 0.
Το σχήμα 1 είναι μια σχηματική διάταξη του συστήματος λέιζερ XCELS. Το εμπρόσθιο άκρο παρήγαγε παλμούς femtosecond με κεντρικό μήκος κύματος 910 nm (1,3 στο σχήμα 1) και 1054 nm παλμούς νανοδευτερόλεπτα που εγχύθηκαν στο Laser Pumped OPCPA (1,1 και 1,2 στο σχήμα 1). Το εμπρόσθιο άκρο εξασφαλίζει επίσης τον συγχρονισμό αυτών των παλμών καθώς και τις απαιτούμενες παραμέτρους ενέργειας και χωροχρονικών. Ένα ενδιάμεσο OPCPA που λειτουργεί με υψηλότερο ποσοστό επανάληψης (1 Hz) ενισχύει τον παλμό με δεκάδες δεκάδες joules (2 στο σχήμα 1). Ο παλμός ενισχύεται περαιτέρω από το ενισχυτικό OPCPA σε μία μόνο δέσμη kilojoule και χωρίζεται σε 12 πανομοιότυπα υποσύνολα (4 στο σχήμα 1). Στο τελευταίο 12 OPCPA, κάθε ένας από τους 12 παλμούς φωτός ενισχύεται στο επίπεδο Kilojoule (5 στο Σχήμα 1) και στη συνέχεια συμπιέζεται με 12 σχάρες συμπίεσης (GC 6 στο σχήμα 1). Το φίλτρο προγραμματιζόμενης διασποράς ακουστικής οπτικής χρησιμοποιείται στο μπροστινό μέρος για να ελέγχει με ακρίβεια τη διασπορά της ταχύτητας της ομάδας και τη διασπορά υψηλής τάξης, έτσι ώστε να ληφθεί το μικρότερο δυνατό πλάτος παλμού. Το φάσμα παλμού έχει σχήμα supergauss περίπου 12ης τάξης και το φασματικό εύρος ζώνης στο 1% της μέγιστης τιμής είναι 150 nm, που αντιστοιχεί στο πλάτος του όριο μετασχηματισμού Fourier των 17 fs. Λαμβάνοντας υπόψη την ελλιπή αντιστάθμιση διασποράς και τη δυσκολία της αντιστάθμισης μη γραμμικής φάσης σε παραμετρικούς ενισχυτές, το αναμενόμενο πλάτος παλμού είναι 20 fs.
Το λέιζερ XCELS θα χρησιμοποιήσει δύο μονάδες διπλασιασμού της συχνότητας Laser UFL-2M (3 στο σχήμα 1), εκ των οποίων 13 κανάλια θα χρησιμοποιηθούν για την αντλία του ενισχυτικού OPCPA και 12 τελικού OPCPA. Τα υπόλοιπα τρία κανάλια θα χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητο νανοδευτερόλεπτο kilojouleπηγές λέιζεργια άλλα πειράματα. Περιορισμένη από το όριο οπτικής διάσπασης των κρυστάλλων DKDP, η ένταση ακτινοβολίας του αντλημένου παλμού ρυθμίζεται σε 1,5 GW/cm2 για κάθε κανάλι και η διάρκεια είναι 3,5 ns.
Κάθε κανάλι του λέιζερ XCELS παράγει παλμούς με ισχύ 50 pw. Συνολικά 12 κανάλια παρέχουν συνολική ισχύ εξόδου 600 pw. Στον κύριο θάλαμο προορισμού, η μέγιστη ένταση εστίασης κάθε καναλιού υπό ιδανικές συνθήκες είναι 0,44 × 1025 W/cm2, υποθέτοντας ότι χρησιμοποιούνται στοιχεία εστίασης f/1 για εστίαση. Εάν ο παλμός κάθε καναλιού συμπιέζεται περαιτέρω σε 2,6 FS με τεχνική μετά την συμπίεση, η αντίστοιχη ισχύς παλμού εξόδου θα αυξηθεί σε 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 επικεντρωθούν στη γεωμετρία της αντίστροφης διπολικής ακτινοβολίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Εάν κάθε φάση παλμού είναι κλειδωμένη και συγχρονισμένη, η συνεκτική ένταση φωτός θα αυξηθεί σε 3,2 × 1026 W/cm2. Εκτός από την κύρια αίθουσα προορισμού, το έργο XCELS περιλαμβάνει έως και 10 εργαστήρια χρηστών, το καθένα από τα οποία λαμβάνει μία ή περισσότερες δοκούς για πειράματα. Χρησιμοποιώντας αυτό το εξαιρετικά ισχυρό πεδίο φωτός, το XCELS Project σχεδιάζει να πραγματοποιήσει πειράματα σε τέσσερις κατηγορίες: κβαντικές διαδικασίες ηλεκτροδυναμικής σε έντονα πεδία λέιζερ. Την παραγωγή και την επιτάχυνση των σωματιδίων. Τη δημιουργία δευτερογενούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Εργαστήριο Αστροφυσική, Διαδικασίες Πυκνότητας Υψηλής Ενέργειας και Διαγνωστική Έρευνα.
ΣΥΚΟ. 2 Γεωμετρία εστίασης στον κύριο θάλαμο προορισμού. Για λόγους σαφήνειας, ο παραβολικός καθρέφτης της δέσμης 6 έχει οριστεί σε διαφανή 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 XCEL στο πειραματικό κτίριο. Η ηλεκτρική ενέργεια, οι αντλίες κενού, η επεξεργασία νερού, ο καθαρισμός και ο κλιματισμός βρίσκονται στο υπόγειο. Η συνολική περιοχή κατασκευής είναι πάνω 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 που προκαλούνται από κραδασμούς εγκαθίστανται στο θεμέλιο απομόνωσης των κραδασμών, έτσι ώστε το εύρος της διαταραχής που μεταδίδεται στο σύστημα λέιζερ μέσω της θεμελίωσης και της υποστήριξης να μειώνεται σε λιγότερο από 10-10 g2/Hz στην περιοχή συχνότητας 1-200 Hz. Επιπλέον, ένα δίκτυο γεωδαιτικών δεικτών αναφοράς έχει συσταθεί στην αίθουσα λέιζερ για να παρακολουθεί συστηματικά την παρασυρόμενα του εδάφους και του εξοπλισμού.
Το Project XCELS στοχεύει στη δημιουργία μιας μεγάλης επιστημονικής έρευνας που βασίζεται σε εξαιρετικά υψηλά λέιζερ ισχύος. Ένα κανάλι του συστήματος λέιζερ XCELS μπορεί να παρέχει μια εστιασμένη ένταση φωτός αρκετές φορές υψηλότερη από 1024 W/cm2, η οποία μπορεί να υπερβεί περαιτέρω κατά 1025 W/cm2 με τεχνολογία μετά την συμπίεση. Με παλμούς εστίασης διπολικών από 12 κανάλια στο σύστημα λέιζερ, μπορεί να επιτευχθεί ένταση κοντά σε 1026 W/cm2, ακόμη και χωρίς μετά την συμπλήρωση και κλείδωμα φάσης. Εάν ο συγχρονισμός φάσης μεταξύ των καναλιών είναι κλειδωμένη, η ένταση του φωτός θα είναι αρκετές φορές υψηλότερη. Χρησιμοποιώντας αυτές τις εντάσεις παλμών ρεκόρ και τη διάταξη δέσμης πολλαπλών καναλιών, η μελλοντική εγκατάσταση XCELS θα είναι σε θέση να εκτελεί πειράματα με εξαιρετικά υψηλή ένταση, πολύπλοκες κατανομές φωτός και να διαγνώσει αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας δοκούς λέιζερ πολλαπλών καναλιών και δευτερογενή ακτινοβολία. Αυτό θα διαδραματίσει ένα μοναδικό ρόλο στον τομέα της υπερ-ισχυρής ηλεκτρομαγνητικής πειραματικής φυσικής.
Χρόνος δημοσίευσης: Μαρ-26-2024