Hiljuti tutvustas Venemaa Teaduste Akadeemia Rakendusfüüsika Instituut eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) uurimisprogrammi suurte teaduslike seadmete jaoks, mis põhinevad äärmiselt kõrgel tasemel.suure võimsusega laserid. Projekt sisaldab vägasuure võimsusega laserpõhineb optilisel parameetrilisel piiksutatud impulsi võimendustehnoloogial suure avaga kaaliumdideuteeriumfosfaadi (DKDP, keemiline valem KD2PO4) kristallides, eeldatava koguvõimsusega 600 PW tippvõimsuse impulssi. See töö sisaldab olulisi üksikasju ja uurimistulemusi XCELSi projekti ja selle lasersüsteemide kohta, kirjeldades rakendusi ja võimalikke mõjusid, mis on seotud ülitugeva valgusvälja interaktsiooniga.
Programm XCELS pakuti välja 2011. aastal, mille esialgne eesmärk oli saavutada tippvõimsuslaserimpulsi väljundvõimsus 200 PW, mis on praegu uuendatud 600 PW-ni. Sellelasersüsteemtugineb kolmele peamisele tehnoloogiale:
(1) Traditsioonilise Chirped Pulse Amplification (OPCPA) asemel kasutatakse optilise parameetrilise piiksutatud impulsi võimenduse (OPCPA) tehnoloogiat. CPA) tehnoloogia;
(2) Kasutades võimendusmeediumina DKDP-d, saavutatakse ultralairiba faasisobitus lainepikkusel 910 nm;
(3) Parameetrilise võimendi pumpamiseks kasutatakse suure avaga neodüümklaaslaserit, mille impulsienergia on tuhandeid džaule.
Ülilairiba faaside sobitamist leidub paljudes kristallides ja seda kasutatakse OPCPA femtosekundilistes laserites. DKDP kristalle kasutatakse, kuna need on ainsad praktikas leitud materjalid, mida saab kasvatada kümnete sentimeetrite avani ja millel on samal ajal vastuvõetavad optilised omadused, mis toetavad mitme PW võimsuse võimendamist.laserid. On leitud, et kui DKDP kristalli pumbatakse ND-klaaslaseri kahesagedusliku valgusega ja kui võimendatud impulsi kandelainepikkus on 910 nm, on lainevektori mittevastavuse Taylori laienduse kolm esimest liiget 0.
Joonis 1 on lasersüsteemi XCELS skemaatiline paigutus. Esiots genereeris sirutatud femtosekundilisi impulsse kesklainepikkusega 910 nm (1,3 joonisel 1) ja 1054 nm nanosekundilisi impulsse, mis süstiti OPCPA pumbatavasse laserisse (1,1 ja 1,2 joonisel 1). Esiots tagab ka nende impulsside sünkroniseerimise ning vajaliku energia ja ajaruumi parameetrid. Suurema kordussagedusega (1 Hz) töötav vahepealne OPCPA võimendab piiksuvat impulssi kümnete džauliteni (2 joonisel 1). Booster OPCPA võimendab impulssi veelgi üheks kilodžauliks ja jagab 12 identseks alamkiireks (4 joonisel 1). Viimases 12 OPCPA-s võimendatakse iga 12 piiksutatud valgusimpulssi kilodžauli tasemele (5 joonisel 1) ja seejärel surutakse kokku 12 survevõrega (GC 6 joonisel 1). Akusto-optilist programmeeritavat dispergeerimisfiltrit kasutatakse esiotsas, et täpselt juhtida rühma kiiruse hajutamist ja kõrget järku dispersiooni, et saavutada võimalikult väike impulsi laius. Impulsispektri kuju on peaaegu 12. järku supergauss ja spektri ribalaius 1% maksimaalsest väärtusest on 150 nm, mis vastab Fourier' teisenduse piirimpulsi laiusele 17 fs. Arvestades mittetäielikku dispersioonikompensatsiooni ja mittelineaarse faasikompenseerimise keerukust parameetrilistes võimendites, on eeldatav impulsi laius 20 fs.
XCELS-laser kasutab kahte 8-kanalilist UFL-2M neodüümklaasist laseri sageduse kahekordistusmoodulit (joonisel 1 kolm), millest 13 kanalit kasutatakse Booster OPCPA ja 12 lõpliku OPCPA pumpamiseks. Ülejäänud kolme kanalit kasutatakse iseseisva nanosekundilise kilodžauli impulssinalaserallikadmuude katsete jaoks. Piiratuna DKDP kristallide optilise läbilöögilävega, on pumbatava impulsi kiirituse intensiivsus iga kanali jaoks seatud 1,5 GW/cm2 ja kestus on 3,5 ns.
Iga XCELS laseri kanal toodab impulsse võimsusega 50 PW. Kokku 12 kanalit annavad koguväljundvõimsuseks 600 PW. Põhisihtkambris on iga kanali maksimaalne teravustamise intensiivsus ideaalsetes tingimustes 0,44×1025 W/cm2, eeldades, et teravustamiseks kasutatakse F/1 teravustamiselemente. Kui iga kanali impulss tihendatakse järeltihendustehnikaga 2,6 fs-ni, suurendatakse vastavat väljundimpulsi võimsust 230 PW-ni, mis vastab valguse intensiivsusele 2,0 × 1025 W/cm2.
Suurema valguse intensiivsuse saavutamiseks fokusseeritakse 600 PW väljundi juures 12 kanali valgusimpulsid pöörddipoolkiirguse geomeetrias, nagu on näidatud joonisel 2. Kui iga kanali impulsi faas ei ole lukustatud, saab fookuse intensiivsust jõudma 9×1025 W/cm2. Kui iga impulsi faas on lukustatud ja sünkroonitud, suurendatakse koherentset valguse intensiivsust 3,2 × 1026 W/cm2-ni. Lisaks peamisele sihtruumile hõlmab projekt XCELS kuni 10 kasutajalaborit, millest igaüks saab katseteks ühe või mitu kiirt. Seda ülitugevat valgusvälja kasutades on projekti XCELS plaanis läbi viia katseid neljas kategoorias: kvantelektrodünaamika protsessid intensiivsetes laserväljades; osakeste tootmine ja kiirendamine; Sekundaarse elektromagnetkiirguse tekitamine; Laboratoorsed astrofüüsika, suure energiatihedusega protsessid ja diagnostilised uuringud.
joonisel fig. 2 Fokuseerimise geomeetria peamises sihtkambris. Selguse huvides on kiire 6 paraboolpeegel seatud läbipaistvaks ning sisend- ja väljundkiired näitavad ainult kahte kanalit 1 ja 7
Joonisel 3 on näidatud katsehoone XCELS lasersüsteemi iga funktsionaalse ala ruumiline paigutus. Keldrikorrusel asuvad elekter, vaakumpumbad, veetöötlus, puhastus ja konditsioneer. Ehitusalune kogupind on üle 24 000 m2. Kogu elektritarve on umbes 7,5 MW. Eksperimentaalhoone koosneb sisemisest õõnsast üldraamist ja välisosast, millest kumbki on ehitatud kahele lahtisidestatud vundamendile. Vaakum ja muud vibratsiooni tekitavad süsteemid paigaldatakse vibratsiooniisolatsiooniga vundamendile nii, et vundamendi ja toe kaudu lasersüsteemile edastatava häire amplituud väheneb sagedusvahemikus alla 10-10 g2/Hz. 1-200 Hz. Lisaks rajatakse laserhallis geodeetiliste referentsmarkerite võrgustik, mis võimaldab süstemaatiliselt jälgida maapinna ja seadmete triivi.
Projekti XCELS eesmärk on luua suur teaduslik uurimisrajatis, mis põhineb äärmiselt suure tippvõimsusega laseritel. Üks XCELS-lasersüsteemi kanal võib pakkuda fokuseeritud valguse intensiivsust, mis on mitu korda suurem kui 1024 W/cm2, mida saab järelkompressioontehnoloogia abil veelgi ületada 1025 W/cm2 võrra. Lasersüsteemis 12 kanalilt pärinevate dipoolfookustavate impulsside abil on võimalik saavutada 1026 W/cm2 lähedane intensiivsus ka ilma järelkompressiooni ja faasilukuta. Kui kanalite vaheline faasisünkroniseerimine on lukus, on valguse intensiivsus mitu korda suurem. Kasutades neid rekordilisi impulsi intensiivsust ja mitme kanaliga kiirte paigutust, saab tulevane XCELS-rajatis läbi viia ülikõrge intensiivsusega, keeruka valgusväljajaotusega eksperimente ning diagnoosida interaktsioone mitme kanaliga laserkiirte ja sekundaarse kiirguse abil. See mängib ainulaadset rolli ülitugeva elektromagnetvälja eksperimentaalfüüsika valdkonnas.
Postitusaeg: 26. märts 2024