Nesen Krievijas Zinātņu akadēmijas Lietišķās fizikas institūts iepazīstināja ar eXawatt Ekstrēmas gaismas pētījumu centru (XCELS) — pētniecības programmu lielām zinātniskām ierīcēm, kuru pamatā ir ārkārtīgilieljaudas lāzeriProjekts ietver ļotilieljaudas lāzersbalstīts uz optiskās parametriskās čirpētas impulsu pastiprināšanas tehnoloģiju lielas apertūras kālija dideitērija fosfāta (DKDP, ķīmiskā formula KD2PO4) kristālos, ar paredzamo kopējo maksimālās jaudas impulsu jaudu 600 PW. Šis darbs sniedz svarīgu informāciju un pētījumu rezultātus par XCELS projektu un tā lāzersistēmām, aprakstot pielietojumu un potenciālo ietekmi, kas saistīta ar īpaši spēcīgu gaismas lauka mijiedarbību.
XCELS programma tika ierosināta 2011. gadā ar sākotnējo mērķi sasniegt maksimālo jaudulāzersimpulsa jauda 200 PW, kas pašlaik ir palielināta līdz 600 PW. Tāslāzera sistēmabalstās uz trim galvenajām tehnoloģijām:
(1) Tradicionālās čirpētās impulsu pastiprināšanas (čirpētās impulsu pastiprināšanas, OPCPA) tehnoloģijas vietā tiek izmantota optiskā parametriskā čirpētās impulsu pastiprināšanas (OPCPA) tehnoloģija. CPA;
(2) Izmantojot DKDP kā pastiprināšanas vidi, tiek realizēta īpaši platjoslas fāžu saskaņošana tuvu 910 nm viļņa garumam;
(3) Parametriskā pastiprinātāja darbināšanai tiek izmantots lielas apertūras neodīma stikla lāzers ar tūkstošiem džoulu impulsa enerģiju.
Ultraplatjoslas fāžu saskaņošana ir plaši sastopama daudzos kristālos un tiek izmantota OPCPA femtosekundes lāzeros. DKDP kristāli tiek izmantoti, jo tie ir vienīgais praksē sastopamais materiāls, ko var audzēt līdz desmitiem centimetru apertūras un vienlaikus nodrošināt pieņemamas optiskās īpašības, lai atbalstītu vairāku PW jaudas pastiprināšanu.lāzeriIr konstatēts, ka, kad DKDP kristālu sūknē ND stikla lāzera divkāršās frekvences gaisma, ja pastiprinātā impulsa nesēja viļņa garums ir 910 nm, viļņu vektora neatbilstības Teilora izvērsuma pirmie trīs locekļi ir 0.
1. attēlā ir shematiski attēlota XCELS lāzera sistēmas shēma. Priekšējais gals ģenerēja čirpētus femtosekundes impulsus ar centrālā viļņa garumu 910 nm (1,3 1. attēlā) un 1054 nm nanosekundes impulsus, kas tiek injicēti OPCPA sūknētajā lāzerā (1,1 un 1,2 1. attēlā). Priekšējais gals nodrošina arī šo impulsu sinhronizāciju, kā arī nepieciešamos enerģijas un telplaika parametrus. Starpposma OPCPA, kas darbojas ar lielāku atkārtošanās frekvenci (1 Hz), pastiprina čirpēto impulsu līdz desmitiem džoulu (2 1. attēlā). Impulsu tālāk pastiprina pastiprinātāja OPCPA vienā kilodžoulu starā un sadala 12 identiskos apakšstaru kūļos (4 1. attēlā). Pēdējā 12 OPCPA katrs no 12 čirpētajiem gaismas impulsiem tiek pastiprināts līdz kilodžoulu līmenim (5 1. attēlā) un pēc tam saspiests ar 12 kompresijas režģiem (GC no 6 1. attēlā). Priekšējā galā tiek izmantots akustiski optiskais programmējamais dispersijas filtrs, lai precīzi kontrolētu grupas ātruma dispersiju un augstas kārtas dispersiju, tādējādi iegūstot pēc iespējas mazāku impulsa platumu. Impulsa spektram ir gandrīz 12. kārtas supergausa forma, un spektra joslas platums pie 1% no maksimālās vērtības ir 150 nm, kas atbilst Furjē transformācijas impulsa platumam 17 fs. Ņemot vērā nepilnīgo dispersijas kompensāciju un nelineārās fāzes kompensācijas grūtības parametriskajos pastiprinātājos, paredzamais impulsa platums ir 20 fs.
XCELS lāzerā tiks izmantoti divi 8 kanālu UFL-2M neodīma stikla lāzera frekvences dubultošanas moduļi (3 1. attēlā), no kuriem 13 kanāli tiks izmantoti pastiprinātāja OPCPA un 12 galīgā OPCPA sūknēšanai. Atlikušie trīs kanāli tiks izmantoti kā neatkarīgi nanosekundes kilodžoulu impulsi.lāzera avoticitiem eksperimentiem. Ierobežojot to ar DKDP kristālu optisko sabrukšanas slieksni, sūknētā impulsa apstarojuma intensitāte katram kanālam ir iestatīta uz 1,5 GW/cm2, un ilgums ir 3,5 ns.
Katrs XCELS lāzera kanāls ģenerē impulsus ar jaudu 50 PW. Kopumā 12 kanāli nodrošina kopējo izejas jaudu 600 PW. Galvenajā mērķa kamerā katra kanāla maksimālā fokusēšanas intensitāte ideālos apstākļos ir 0,44 × 10²⁶ W/cm², pieņemot, ka fokusēšanai tiek izmantoti F/1 fokusēšanas elementi. Ja katra kanāla impulss tiek vēl vairāk saspiests līdz 2,6 fs, izmantojot pēckompresijas tehniku, atbilstošā izejas impulsa jauda tiks palielināta līdz 230 PW, kas atbilst gaismas intensitātei 2,0 × 10²⁶ W/cm².
Lai sasniegtu lielāku gaismas intensitāti, pie 600 PW izejas jaudas, gaismas impulsi 12 kanālos tiks fokusēti inversā dipola starojuma ģeometrijā, kā parādīts 2. attēlā. Kad impulsa fāze katrā kanālā nav bloķēta, fokusa intensitāte var sasniegt 9×10²⁶ W/cm². Ja katra impulsa fāze tiek bloķēta un sinhronizēta, koherentā iegūtā gaismas intensitāte tiks palielināta līdz 3,2×10²⁶ W/cm². Papildus galvenajai mērķa telpai XCELS projektā ir iekļautas līdz pat 10 lietotāju laboratorijas, katra no kurām saņem vienu vai vairākus starus eksperimentiem. Izmantojot šo ārkārtīgi spēcīgo gaismas lauku, XCELS projektā ir plānots veikt eksperimentus četrās kategorijās: kvantu elektrodinamikas procesi intensīvos lāzera laukos; daļiņu ražošana un paātrināšana; sekundārā elektromagnētiskā starojuma ģenerēšana; laboratorijas astrofizika, augsta enerģijas blīvuma procesi un diagnostikas pētījumi.
2. attēls. Fokusēšanas ģeometrija galvenajā mērķa kamerā. Skaidrības labad 6. staru paraboliskais spogulis ir iestatīts uz caurspīdīgu, un ieejas un izejas staros ir redzami tikai divi kanāli — 1 un 7.
3. attēlā parādīts katras XCELS lāzersistēmas funkcionālās zonas telpiskais izkārtojums eksperimentālajā ēkā. Pagrabstāvā atrodas elektrības padeve, vakuuma sūkņi, ūdens attīrīšanas, attīrīšanas un gaisa kondicionēšanas iekārtas. Kopējā būvniecības platība pārsniedz 24 000 m2. Kopējais enerģijas patēriņš ir aptuveni 7,5 MW. Eksperimentālā ēka sastāv no iekšēja doba karkasa un ārējās sekcijas, katra no kurām ir uzbūvēta uz diviem atdalītiem pamatiem. Vakuuma un citas vibrācijas izraisošās sistēmas ir uzstādītas uz vibrāciju izolēta pamata, lai traucējumu amplitūda, kas tiek pārnesta uz lāzersistēmu caur pamatu un balstu, tiktu samazināta līdz mazāk nekā 10–10 g2/Hz frekvenču diapazonā no 1 līdz 200 Hz. Turklāt lāzera zālē ir izveidots ģeodēzisko atskaites marķieru tīkls, lai sistemātiski uzraudzītu zemes un iekārtu nobīdi.
XCELS projekta mērķis ir izveidot lielu zinātniskās pētniecības iekārtu, kuras pamatā ir ārkārtīgi augstas maksimālās jaudas lāzeri. Viens XCELS lāzersistēmas kanāls var nodrošināt fokusētu gaismas intensitāti, kas vairākas reizes pārsniedz 1024 W/cm2, ko ar pēckompresijas tehnoloģiju var vēl vairāk pārsniegt par 1025 W/cm2. Ar dipola fokusēšanas impulsiem no 12 lāzersistēmas kanāliem var sasniegt intensitāti, kas tuva 1026 W/cm2, pat bez pēckompresijas un fāzes bloķēšanas. Ja fāzes sinhronizācija starp kanāliem tiek bloķēta, gaismas intensitāte būs vairākas reizes lielāka. Izmantojot šīs rekordlielās impulsu intensitātes un daudzkanālu staru izkārtojumu, topošā XCELS iekārta varēs veikt eksperimentus ar ārkārtīgi augstu intensitāti, sarežģītiem gaismas lauka sadalījumiem un diagnosticēt mijiedarbību, izmantojot daudzkanālu lāzerstarus un sekundāro starojumu. Tam būs unikāla loma īpaši spēcīga elektromagnētiskā lauka eksperimentālās fizikas jomā.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 26. marts