Hiljuti tutvustas Venemaa Teaduste Akadeemia Rakendusfüüsika Instituut eXawatt'i Ekstreemse Valguse Uuringute Keskust (XCELS), mis on äärmiselt valgustatud suurte teadusseadmete uurimisprogramm.suure võimsusega laseridProjekt hõlmab vägasuure võimsusega laserpõhineb optilisel parameetrilisel sirpendatud impulsside võimendamise tehnoloogial suure avaga kaaliumdideuteeriumfosfaadi (DKDP, keemiline valem KD2PO4) kristallides, eeldatava tippvõimsusega impulsside koguvõimsusega 600 PW. See töö annab olulist teavet ja uurimistulemusi XCELS-projekti ja selle lasersüsteemide kohta, kirjeldades rakendusi ja potentsiaalseid mõjusid, mis on seotud ülitugeva valgusvälja interaktsioonidega.
XCELS-programm esitati 2011. aastal esialgse eesmärgiga saavutada tippvõimsuslaserimpulssväljundvõimsus 200 PW, mis on praegu suurendatud 600 PW-ni. Sellelasersüsteemtugineb kolmele põhitehnoloogiale:
(1) Traditsioonilise tsirpeeritud impulsi võimenduse (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) tehnoloogia asemel kasutatakse optilise parameetrilise tsirpeeritud impulsi võimenduse (OPCPA) tehnoloogiat.
(2) Kasutades võimenduskeskkonnana DKDP-d, realiseeritakse ülilairiba faaside sobitamine lainepikkuse lähedal 910 nm;
(3) Parameetrilise võimendi pumpamiseks kasutatakse suure avaga neodüümklaasist laserit, mille impulsienergia on tuhandeid džaule.
Ülilairiba faaside sobitamist leidub laialdaselt paljudes kristallides ja seda kasutatakse OPCPA femtosekundilistes laserites. DKDP kristalle kasutatakse seetõttu, et need on praktikas ainus materjal, mida saab kasvatada kümnete sentimeetrite avaga ja millel on samal ajal vastuvõetavad optilised omadused mitme PW võimsuse võimendamiseks.laseridOn leitud, et kui DKDP kristalli pumbatakse ND-klaaslaseri kahesagedusliku valgusega ja võimendatud impulsi kandesagedus on 910 nm, siis lainevektori mittevastavuse Taylori laienduse kolm esimest liiget on 0.
Joonis 1 on XCELS-lasersüsteemi skemaatiline paigutus. Eesmine ots genereeris tsirpeeritud femtosekundilisi impulsse keskmise lainepikkusega 910 nm (1,3 joonisel 1) ja 1054 nm nanosekundilisi impulsse, mis süstiti OPCPA-ga pumbatavasse laserisse (1,1 ja 1,2 joonisel 1). Eesmine ots tagab ka nende impulsside sünkroniseerimise ning vajalikud energia- ja aegruumilised parameetrid. Vahepealne OPCPA, mis töötab suurema kordussagedusega (1 Hz), võimendab tsirpeeritud impulsi kümnete džaulideni (2 joonisel 1). Impulssi võimendab võimendus-OPCPA edasi üheks kilodžauliliseks kiireks ja jagab selle 12 identseks alamkiireks (4 joonisel 1). Viimases 12 OPCPA-s võimendatakse iga 12 tsirpeeritud valgusimpulssi kilodžauli tasemele (5 joonisel 1) ja seejärel surutakse kokku 12 kompressioonivõrega (GC 6 joonisel 1). Akustooptilist programmeeritavat dispersioonfiltrit kasutatakse esiosas grupikiiruse dispersiooni ja kõrgema järgu dispersiooni täpseks juhtimiseks, et saavutada võimalikult väike impulsi laius. Impulssspektril on peaaegu 12. järgu supergaussi kuju ja spektraalne ribalaius 1% maksimaalsest väärtusest on 150 nm, mis vastab Fourier' teisenduse piirimpulsi laiusele 17 fs. Arvestades mittetäielikku dispersiooni kompenseerimist ja mittelineaarse faasi kompenseerimise raskusi parameetrilistes võimendites, on eeldatav impulsi laius 20 fs.
XCELS-laser kasutab kahte 8-kanalilist UFL-2M neodüümklaasist lasersageduse kahekordistamise moodulit (3 joonisel 1), millest 13 kanalit kasutatakse võimendus-OPCPA ja 12 lõpliku OPCPA pumpamiseks. Ülejäänud kolme kanalit kasutatakse sõltumatute nanosekundiliste kilodžaulide impulssidena.laserallikadteiste katsete jaoks. DKDP kristallide optilise läbilöögi läve tõttu on pumbatud impulsi kiirgusintensiivsus iga kanali jaoks seatud 1,5 GW/cm2-le ja kestus 3,5 ns.
Iga XCELS-laseri kanal tekitab impulsse võimsusega 50 PW. Kokku 12 kanalit annavad väljundvõimsuse kokku 600 PW. Peamises sihtmärgikambris on iga kanali maksimaalne fokuseerimisintensiivsus ideaalsetes tingimustes 0,44 × 10²⁶ W/cm², eeldades, et fokuseerimiseks kasutatakse F/1 fokuseerimiselemente. Kui iga kanali impulssi järelkompressioonitehnikaga veelgi kokku suruda 2,6 fs-ni, suureneb vastav väljundimpulsi võimsus 230 PW-ni, mis vastab valgusintensiivsusele 2,0 × 10²⁶ W/cm².
Suurema valgusintensiivsuse saavutamiseks 600 PW väljundvõimsusel fokuseeritakse 12 kanali valgusimpulsid pöörddipoolkiirguse geomeetriasse, nagu on näidatud joonisel 2. Kui iga kanali impulsi faas ei ole lukustatud, võib fookuse intensiivsus ulatuda 9 × 10²⁶ W/cm²-ni. Kui iga impulsi faas on lukustatud ja sünkroniseeritud, suureneb koherentne resultantvalguse intensiivsus 3,2 × 10²⁶ W/cm²-ni. Lisaks peamisele sihtmärgiruumile hõlmab XCELS-projekt kuni 10 kasutajalaborit, millest igaüks võtab katseteks vastu ühe või mitu kiirt. Kasutades seda äärmiselt tugevat valgusvälja, plaanib XCELS-projekt läbi viia katseid neljas kategoorias: kvantelektrodünaamika protsessid intensiivsetes laserväljades; osakeste teke ja kiirendamine; sekundaarse elektromagnetkiirguse genereerimine; laboratoorne astrofüüsika, suure energiatihedusega protsessid ja diagnostilised uuringud.
JOONIS 2. Fokuseerimisgeomeetria peamises sihtmärgikambris. Selguse huvides on kiire 6 paraboolne peegel seatud läbipaistvaks ning sisend- ja väljundkiired näitavad ainult kahte kanalit 1 ja 7.
Joonis 3 näitab XCELS-lasersüsteemi iga funktsionaalse ala ruumilist paigutust eksperimentaalhoones. Elekter, vaakumpumbad, veetöötlus-, puhastus- ja kliimaseadmed asuvad keldris. Ehitusalune kogupindala on üle 24 000 m2. Koguenergiatarve on umbes 7,5 MW. Eksperimentaalhoone koosneb sisemisest õõnesraamist ja välissektsioonist, mis mõlemad on ehitatud kahele lahutatud vundamendile. Vaakum ja muud vibratsiooni tekitavad süsteemid on paigaldatud vibratsiooniisolatsiooniga vundamendile, nii et vundamendi ja toe kaudu lasersüsteemile edastatava häiringu amplituud väheneb sagedusalas 1–200 Hz alla 10-10 g2/Hz. Lisaks on laserhalli paigaldatud geodeetiliste tugimärkide võrgustik, et süstemaatiliselt jälgida maapinna ja seadmete triivi.
XCELS-projekti eesmärk on luua suur teaduskeskus, mis põhineb äärmiselt suure tippvõimsusega laseritel. Üks XCELS-lasersüsteemi kanal võib pakkuda fokuseeritud valgusintensiivsust, mis on mitu korda suurem kui 1024 W/cm2, mida järelkompressioonitehnoloogia abil saab veelgi ületada 1025 W/cm2 võrra. Lasersüsteemi 12 kanali dipoolfokuseerimisega impulsside abil on võimalik saavutada intensiivsus, mis on ligilähedane 1026 W/cm2-le, isegi ilma järelkompressiooni ja faasilukustuseta. Kui kanalite vaheline faasisünkronisatsioon on lukustatud, on valgusintensiivsus mitu korda suurem. Kasutades neid rekordilisi impulsi intensiivsusi ja mitmekanalilist kiirepaigutust, on tulevane XCELS-i keskus võimeline teostama katseid äärmiselt suure intensiivsusega, keerukate valgusvälja jaotustega ning diagnoosima interaktsioone mitmekanaliliste laserkiirte ja sekundaarkiirguse abil. See mängib ainulaadset rolli ülitugeva elektromagnetvälja eksperimentaalfüüsika valdkonnas.
Postituse aeg: 26. märts 2024