Πρόσφατα, το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών παρουσίασε το Κέντρο eXawatt για τη Μελέτη Ακραίου Φωτός (XCELS), ένα ερευνητικό πρόγραμμα για μεγάλες επιστημονικές συσκευές που βασίζονται σε εξαιρετικάλέιζερ υψηλής ισχύοςΤο έργο περιλαμβάνει την κατασκευή ενός πολύλέιζερ υψηλής ισχύοςβασισμένο σε τεχνολογία οπτικής παραμετρικής ενίσχυσης παλμών chirped σε κρυστάλλους φωσφορικού καλίου διδευτερίου 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 εξαιρετικά ισχυρές αλληλεπιδράσεις φωτεινού πεδίου.
Το πρόγραμμα XCELS προτάθηκε το 2011 με αρχικό στόχο την επίτευξη μέγιστης ισχύοςλέιζερπαλμική έξοδος 200 PW, η οποία έχει αναβαθμιστεί αυτήν τη στιγμή στα 600 PW.σύστημα λέιζερβασίζεται σε τρεις βασικές τεχνολογίες:
(1) Χρησιμοποιείται τεχνολογία οπτικής παραμετρικής ενίσχυσης παλμού με τσιρίδες (OPCPA) αντί της παραδοσιακής ενίσχυσης παλμού με τσιρίδες (OPCPA). Τεχνολογία CPA).
(2) Χρησιμοποιώντας το DKDP ως μέσο κέρδους, η υπερευρεία ζώνη αντιστοίχισης φάσης πραγματοποιείται κοντά στο μήκος κύματος των 910 nm.
(3) Ένα λέιζερ νεοδυμίου μεγάλου διαφράγματος με ενέργεια παλμού χιλιάδων joules χρησιμοποιείται για την άντληση ενός παραμετρικού ενισχυτή.
Η υπερ-ευρείας ζώνης αντιστοίχιση φάσης βρίσκεται ευρέως σε πολλούς κρυστάλλους και χρησιμοποιείται σε φεμτοδευτερολέπτα λέιζερ OPCPA. Οι κρύσταλλοι DKDP χρησιμοποιούνται επειδή είναι το μόνο υλικό που βρίσκεται στην πράξη και μπορεί να αναπτυχθεί σε δεκάδες εκατοστά διαφράγματος και ταυτόχρονα να έχει αποδεκτές οπτικές ιδιότητες για να υποστηρίξει την ενίσχυση ισχύος πολλαπλών PW.λέιζερΔιαπιστώνεται ότι όταν ο κρύσταλλος DKDP αντλείται από το φως διπλής συχνότητας του λέιζερ γυαλιού ND, εάν το μήκος κύματος 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 εμπρόσθιο άκρο παρήγαγε τσιριχτούς παλμούς femtosecond με κεντρικό μήκος κύματος 910 nm (1,3 στο Σχήμα 1) και παλμούς 1054 nm νανοδευτερολέπτων που εγχέονται στο λέιζερ άντλησης OPCPA (1,1 και 1,2 στο Σχήμα 1). Το εμπρόσθιο άκρο διασφαλίζει 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 τσιριχτό παλμό σε δεκάδες joule (2 στο Σχήμα 1). Ο παλμός ενισχύεται περαιτέρω από το Booster OPCPA σε μία μόνο δέσμη kilojoule και διαιρείται σε 12 πανομοιότυπες υποδέσμες (4 στο Σχήμα 1). Στα τελικά 12 OPCPA, καθένας από τους 12 τσιριχτούς παλμούς φωτός ενισχύεται στο επίπεδο kilojoule (5 στο Σχήμα 1) και στη συνέχεια συμπιέζεται από 12 πλέγματα συμπίεσης (GC 6 στο Σχήμα 1). Το ακουστοοπτικό προγραμματιζόμενο φίλτρο διασποράς χρησιμοποιείται στο μπροστινό μέρος για τον ακριβή έλεγχο της διασποράς της ταχύτητας ομάδας και της διασποράς υψηλής τάξης, έτσι ώστε να επιτευχθεί το μικρότερο δυνατό πλάτος παλμού. Το φάσμα παλμού έχει σχήμα σχεδόν υπεργκάους 12ης τάξης και το φασματικό εύρος ζώνης στο 1% της μέγιστης τιμής είναι 150 nm, που αντιστοιχεί στο όριο του πλάτους παλμού μετασχηματισμού Fourier των 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 νεοδυμίου UFL-2M 8 καναλιών (3 στο Σχήμα 1), εκ των οποίων τα 13 κανάλια θα χρησιμοποιηθούν για την άντληση του Booster OPCPA και τα 12 για το τελικό OPCPA. Τα υπόλοιπα τρία κανάλια θα χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητες παλμικές καμπύλες νανοδευτερολέπτων.πηγές λέιζεργια άλλα πειράματα. Περιορισμένη από το όριο οπτικής διάσπασης των κρυστάλλων DKDP, η ένταση ακτινοβολίας του αντλούμενου παλμού ορίζεται 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 στόχου, η μέγιστη ένταση εστίασης κάθε καναλιού υπό ιδανικές συνθήκες είναι 0,44×1025 W/cm2, υποθέτοντας 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, σε ισχύ εξόδου 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 να φτάσει τα 9×1025 W/cm2. Εάν κάθε φάση παλμού είναι κλειδωμένη και συγχρονισμένη, η συνεκτική προκύπτουσα ένταση φωτός θα αυξηθεί στα 3,2×1026 W/cm2. Εκτός από την κύρια αίθουσα-στόχο, το έργο XCELS περιλαμβάνει έως και 10 εργαστήρια χρηστών, καθένα από τα οποία λαμβάνει μία ή περισσότερες δέσμες για πειράματα. Χρησιμοποιώντας αυτό το εξαιρετικά ισχυρό πεδίο φωτός, το έργο XCELS σχεδιάζει να πραγματοποιήσει πειράματα σε τέσσερις κατηγορίες: διαδικασίες κβαντικής ηλεκτροδυναμικής σε έντονα πεδία λέιζερ· παραγωγή και επιτάχυνση σωματιδίων· παραγωγή δευτερογενούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας· εργαστηριακή αστροφυσική, διαδικασίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και διαγνωστική έρευνα.
ΣΧ. 2 Γεωμετρία εστίασης στον κύριο θάλαμο στόχου. Για λόγους σαφήνειας, ο παραβολικός καθρέφτης της δέσμης 6 έχει ρυθμιστεί σε διαφανή κατάσταση και οι δέσμες εισόδου και εξόδου εμφανίζουν μόνο δύο κανάλια 1 και 7.
Το Σχήμα 3 δείχνει τη χωρική διάταξη κάθε λειτουργικής περιοχής του συστήματος λέιζερ XCELS στο πειραματικό κτίριο. Η ηλεκτρική ενέργεια, οι αντλίες κενού, η επεξεργασία νερού, ο καθαρισμός και ο 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, καθένα από τα οποία είναι χτισμένο σε δύο αποσυνδεδεμένα θεμέλια. Το σύστημα κενού και άλλα συστήματα που προκαλούν κραδασμούς είναι εγκατεστημένα στο θεμέλιο με απομόνωση κραδασμών, έτσι ώστε το πλάτος της διαταραχής που μεταδίδεται στο σύστημα λέιζερ μέσω της θεμελίωσης και της στήριξης να μειώνεται σε λιγότερο από 10-10 g2/Hz στην περιοχή συχνοτήτων 1-200 Hz. Επιπλέον, ένα δίκτυο γεωδαιτικών δεικτών αναφοράς έχει εγκατασταθεί στην αίθουσα λέιζερ για τη συστηματική παρακολούθηση της μετατόπισης του εδάφους και του εξοπλισμού.
Το έργο XCELS στοχεύει στη δημιουργία μιας μεγάλης επιστημονικής ερευνητικής μονάδας βασισμένης σε λέιζερ εξαιρετικά υψηλής μέγιστης ισχύος. Ένα κανάλι του συστήματος λέιζερ XCELS μπορεί να παρέχει ένταση εστιασμένου φωτός αρκετές φορές υψηλότερη από 1024 W/cm2, η οποία μπορεί να ξεπεραστεί περαιτέρω κατά 1025 W/cm2 με τεχνολογία μετα-συμπίεσης. Με παλμούς εστίασης διπόλων 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 πρωτοποριακές εντάσεις παλμών και τη διάταξη δέσμης πολλαπλών καναλιών, η μελλοντική μονάδα XCELS θα είναι σε θέση να εκτελεί πειράματα με εξαιρετικά υψηλή ένταση, σύνθετες κατανομές φωτεινού πεδίου και να διαγιγνώσκει αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας δέσμες λέιζερ πολλαπλών καναλιών και δευτερογενή ακτινοβολία. Αυτό θα παίξει έναν μοναδικό ρόλο στον τομέα της πειραματικής φυσικής υπερ-ισχυρού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Ώρα δημοσίευσης: 26 Μαρτίου 2024