Nesen Krievijas Zinātņu akadēmijas Lietišķās fizikas institūts iepazīstināja ar eXawatt Extreme Light Study centru (XCELS), kas ir pētniecības programma lielām zinātniskām ierīcēm, kuras pamatā ir ārkārtīgilieljaudas lāzeri. Projekts ietver ļotilieljaudas lāzersbalstīta uz optisku parametru čivināta impulsa pastiprināšanas tehnoloģiju lielas apertūras kālija dideitērija fosfāta (DKDP, ķīmiskā formula KD2PO4) kristālos ar paredzamo kopējo jaudu 600 PW maksimālās jaudas impulsu. Šis darbs sniedz svarīgu informāciju un pētījumu rezultātus par XCELS projektu un tā lāzeru sistēmām, aprakstot lietojumus un iespējamo 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 šobrīd ir uzlabota līdz 600 PW. Tāslāzera sistēmabalstās uz trim galvenajām tehnoloģijām:
(1) Tradicionālās čirkstītā impulsa pastiprināšanas (OPCPA) vietā tiek izmantota optiskā parametriskā čirkstošā impulsa pastiprināšanas (OPCPA) tehnoloģija. CPA) tehnoloģija;
(2) Izmantojot DKDP kā pastiprinājuma vidi, ultraplatjoslas fāzu saskaņošana tiek realizēta tuvu 910 nm viļņa garumam;
(3) Parametriskā pastiprinātāja sūknēšanai tiek izmantots lielas apertūras neodīma stikla lāzers ar impulsa enerģiju tūkstošiem džoulu.
Īpaši platjoslas fāzu saskaņošana ir plaši sastopama daudzos kristālos un tiek izmantota OPCPA femtosekundes lāzeros. DKDP kristāli tiek izmantoti, jo tie ir vienīgais praksē atrastais materiāls, ko var izaudzēt līdz desmitiem centimetru apertūras un tajā pašā laikā ir pieņemamas optiskās īpašības, lai atbalstītu vairāku PW jaudas pastiprināšanu.lāzeri. Konstatēts, ka, DKDP kristālu sūknējot ar ND stikla lāzera dubultfrekvences gaismu, ja pastiprinātā impulsa nesēja viļņa garums ir 910 nm, pirmie trīs Teilora viļņa vektora neatbilstības izplešanās termini ir 0.
1. attēlā ir shematisks XCELS lāzersistēmas izkārtojums. Priekšējais gals ģenerēja čivinātus femtosekundes impulsus ar centrālo viļņa garumu 910 nm (1.3 1. attēlā) un 1054 nm nanosekundes impulsus, kas tika ievadīti OPCPA sūknētajā lāzerā (1.1 un 1.2 1. attēlā). Priekšējā daļa nodrošina arī šo impulsu sinhronizāciju, kā arī nepieciešamos enerģijas un spatiotemporālos parametrus. Starpposma OPCPA, kas darbojas ar lielāku atkārtošanās ātrumu (1 Hz), pastiprina čivināto impulsu līdz desmitiem džoulu (2 1. attēlā). Impulsu vēl vairāk pastiprina Booster OPCPA vienā kilodžoula starā un sadala 12 identiskos apakšstaros (4 1. attēlā). Pēdējos 12 OPCPA katrs no 12 čivinātajiem gaismas impulsiem tiek pastiprināts līdz kilodžoula līmenim (5 1. attēlā) un pēc tam saspiests ar 12 kompresijas režģiem (GC 6 1. attēlā). Akustiski-optiskais programmējamais dispersijas filtrs tiek izmantots priekšpusē, lai precīzi kontrolētu grupas ātruma izkliedi un augstas pakāpes izkliedi, lai iegūtu mazāko iespējamo impulsa platumu. Impulsu spektram ir gandrīz 12. kārtas supergausa forma, un spektra joslas platums pie 1% no maksimālās vērtības ir 150 nm, kas atbilst Furjē transformācijas ierobežojuma impulsa platumam 17 fs. Ņemot vērā nepilnīgo dispersijas kompensāciju un nelineārās fāzes kompensācijas sarežģītību parametriskajos pastiprinātājos, paredzamais impulsa platums ir 20 fs.
XCELS lāzers izmantos divus 8 kanālu UFL-2M neodīma stikla lāzera frekvences dubultošanas moduļus (3 1. attēlā), no kuriem 13 kanāli tiks izmantoti, lai sūknētu Booster OPCPA un 12 galīgos OPCPA. Atlikušie trīs kanāli tiks izmantoti kā neatkarīgi nanosekundes kilodžoula impulsilāzera avoticitiem eksperimentiem. Ierobežots ar DKDP kristālu optiskā sadalījuma slieksni, sūknētā impulsa apstarošanas intensitāte ir iestatīta uz 1,5 GW/cm2 katram kanālam un ilgums ir 3,5 ns.
Katrs XCELS lāzera kanāls rada impulsus ar jaudu 50 PW. Kopā 12 kanāli nodrošina kopējo izejas jaudu 600 PW. Galvenajā mērķa kamerā katra kanāla maksimālā fokusēšanas intensitāte ideālos apstākļos ir 0,44×1025 W/cm2, pieņemot, ka fokusēšanai tiek izmantoti F/1 fokusēšanas elementi. Ja katra kanāla impulss tiek vēl vairāk saspiests līdz 2,6 fs, izmantojot pēcsaspiešanas metodi, atbilstošā izejas impulsa jauda tiks palielināta līdz 230 PW, kas atbilst gaismas intensitātei 2,0 × 1025 W/cm2.
Lai sasniegtu lielāku gaismas intensitāti, pie 600 PW izejas, gaismas impulsi 12 kanālos tiks fokusēti apgrieztā dipola starojuma ģeometrijā, kā parādīts 2. attēlā. Ja impulsa fāze katrā kanālā nav bloķēta, fokusa intensitāte var sasniedz 9×1025 W/cm2. Ja katra impulsa fāze ir bloķēta un sinhronizēta, koherentā iegūtā gaismas intensitāte tiks palielināta līdz 3,2 × 1026 W/cm2. Papildus galvenajai mērķa telpai XCELS projektā ietilpst līdz 10 lietotāju laboratorijām, no kurām katra saņem vienu vai vairākus starus eksperimentiem. Izmantojot šo ārkārtīgi spēcīgo gaismas lauku, projekts XCELS plāno veikt eksperimentus četrās kategorijās: kvantu elektrodinamikas procesi intensīvos lāzera laukos; Daļiņu ražošana un paātrināšana; Sekundārā elektromagnētiskā starojuma radīšana; Laboratorijas astrofizika, augsta enerģijas blīvuma procesi un diagnostikas pētījumi.
Zīm. 2 Fokusēšanas ģeometrija galvenajā mērķa kamerā. Skaidrības labad stara 6 paraboliskais spogulis ir iestatīts uz caurspīdīgu, un ieejas un izejas stari rāda tikai divus kanālus 1 un 7
3. attēlā parādīts katras XCELS lāzersistēmas funkcionālās zonas telpiskais izkārtojums eksperimentālajā ēkā. Pagrabstāvā atrodas elektrība, vakuumsūkņi, ūdens attīrīšana, attīrīšana un kondicionēšana. Kopējā būvniecības platība ir vairāk nekā 24 000 m2. Kopējais elektroenerģijas patēriņš ir aptuveni 7,5 MW. Eksperimentālā ēka sastāv no iekšēja doba vispārējā karkasa un ārējās sekcijas, katra uzcelta uz diviem atsaistītiem pamatiem. Vakuuma un citas vibrācijas izraisošās sistēmas tiek uzstādītas uz vibrācijas izolēta pamata, lai lāzera sistēmai caur pamatu un balstu pārraidīto traucējumu amplitūda frekvenču diapazonā samazinātos līdz mazākai par 10-10 g2/Hz. 1-200 Hz. Turklāt lāzera zālē ir izveidots ģeodēzisko atskaites marķieru tīkls, lai sistemātiski uzraudzītu zemes un aprīkojuma novirzi.
XCELS projekta mērķis ir izveidot lielu zinātniskās pētniecības iekārtu, kuras pamatā ir ārkārtīgi augstas maksimālās jaudas lāzeri. Viens XCELS lāzersistēmas kanāls var nodrošināt fokusētas gaismas intensitāti, kas vairākas reizes pārsniedz 1024 W/cm2, ko var vēl vairāk pārsniegt par 1025 W/cm2 ar pēcsaspiešanas tehnoloģiju. Izmantojot dipola fokusēšanas impulsus no 12 kanāliem lāzera sistēmā, intensitāti tuvu 1026 W/cm2 var sasniegt pat bez pēcsaspiešanas un fāzes bloķēšanas. Ja fāzes sinhronizācija starp kanāliem ir bloķēta, gaismas intensitāte būs vairākas reizes lielāka. Izmantojot šīs rekordlielās impulsu intensitātes un daudzkanālu staru izkārtojumu, nākotnes XCELS iekārta varēs veikt eksperimentus ar ārkārtīgi augstu intensitāti, sarežģītu gaismas lauka sadalījumu un diagnosticēt mijiedarbību, izmantojot daudzkanālu lāzera starus un sekundāro starojumu. Tam būs unikāla loma īpaši spēcīga elektromagnētiskā lauka eksperimentālās fizikas jomā.
Izlikšanas laiks: 26.03.2024