Nesen Krievijas Zinātņu akadēmijas Lietišķās fizikas institūts iepazīstināja ar Exawatt Extreme Light Study centru (XCELS) - lielo zinātnisko ierīču pētījumu programmu, kuras pamatā ir ārkārtīgiAugstas enerģijas lāzeriApvidū Projektā ietilpst ļotilielas enerģijas lāzersBalstoties uz optisko parametrisko Chirped impulsa pastiprināšanas tehnoloģiju lielā apertūrā kālija dideutērija fosfāta (DKDP, ķīmiskā formula KD2PO4) kristāli ar paredzamo kopējo izvadi 600 PW maksimuma jaudas impulsi. Šis darbs sniedz svarīgu informāciju un pētījumu rezultātus par XCELS projektu un tā lāzera sistēmām, aprakstot lietojumprogrammas un iespējamo ietekmi, kas saistīta ar īpaši spēcīgu gaismas lauka mijiedarbību.
XCELS programma tika ierosināta 2011. gadā ar sākotnējo mērķi sasniegt maksimālo jaudulāzersimpulsa izvade 200 PW, kas šobrīd tiek modernizēta līdz 600 PW. Tālāzera sistēmapaļaujas uz trim galvenajām tehnoloģijām:
(1) Tradicionālās Chirped impulsa pastiprināšanas vietā tiek izmantota optiskā parametriskā čirkstēšanas impulsa pastiprināšanas (OPCPA) tehnoloģija (OPCPA). CPA) tehnoloģija;
(2) Izmantojot DKDP kā pastiprināšanas vidi, ultra platjoslas fāzes saskaņošana tiek realizēta gandrīz 910 nm viļņa garumā;
(3) Parametriskā pastiprinātāja sūknēšanai tiek izmantots liels diafragmas neodīma stikla lāzers ar tūkstošiem džoulu impulsa enerģiju.
Ultra-Widejoslas fāzes saskaņošana ir plaši sastopama daudzos kristālos un tiek izmantota OPCPA femtosekundes lāzeros. DKDP kristāli tiek izmantoti, jo tie ir vienīgie praksē atrodami materiāli, kurus var audzēt līdz desmitiem centimetru diafragmas atvēruma un tajā pašā laikā ir pieņemamas optiskās īpašības, lai atbalstītu vairāku PW jaudas pastiprināšanulāzeriApvidū Tiek konstatēts, ka tad, kad DKDP kristālu sūknē ND stikla lāzera divkāršās frekvences gaisma, ja pastiprinātā impulsa nesēja viļņa garums ir 910 nm, viļņu vektora neatbilstības pirmie trīs termini ir 0.
1. attēls ir XCELS lāzera sistēmas shematisks izkārtojums. Priekšējais gals ģenerētie čirkstētie femtosekundes impulsi ar centrālo viļņa garumu 910 nm (1,3 1. attēlā) un 1054 nm nanosekundes impulsi, kas ievadīti OPCPA sūknētajā lāzerā (1,1 un 1,2 1. attēlā). Priekšpuse nodrošina arī šo impulsu sinhronizāciju, kā arī nepieciešamo enerģiju un spatiotemorālos parametrus. Starpposma OPCPA, kas darbojas ar lielāku atkārtošanās ātrumu (1 Hz), pastiprina čirkstētu impulsu līdz desmitiem džoulu (2 1. attēlā). Pulsu vēl vairāk pastiprina pastiprinātāja OPCPA vienā kilojoulā staru kūļos un sadalīts 12 identiskos apakšstaros (4 1. attēlā). Pēdējā 12 OPCPA katrs no 12 chirped gaismas impulsiem tiek pastiprināts līdz kilojoulas līmenim (5 1. attēlā) un pēc tam saspiests ar 12 saspiešanas režģiem (GC no 6 1. attēlā). Acusto-optisko programmējamo izkliedes filtru izmanto priekšējā galā, lai precīzi kontrolētu grupas ātruma izkliede un augstas pakāpes izkliede, lai iegūtu vismazāko iespējamo impulsa platumu. Pulsa spektra formai ir gandrīz 12. kārtas supergausa forma, un spektrālais joslas platums 1% no maksimālās vērtības ir 150 nm, kas atbilst Furjē transformācijas ierobežojuma impulsa platumam 17 fs. Ņemot vērā nepilnīgo izkliedes kompensāciju un nelineārās fāzes kompensācijas grūtības parametriskajos pastiprinātājos, paredzamais impulsa platums ir 20 fs.
XCELS lāzers nodarbinās divus 8 kanālu UFL-2M neodīma stikla lāzera frekvences divkāršošanas moduļus (3 1. attēlā), no kuriem 13 kanāli tiks izmantoti, lai sūknētu Booster OPCPA un 12 galīgo OPCPA. Atlikušie trīs kanāli tiks izmantoti kā neatkarīgs nanosekundes kilojoule impulsslāzera avoticitiem eksperimentiem. Ierobežots ar DKDP kristālu optiskā sadalījuma slieksni, sūknētā impulsa apstarošanas intensitāte katram kanālam ir iestatīts uz 1,5 GW/cm2, 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 f/1 fokusēšanas elementiem tiek izmantoti fokusēšanai. Ja katra kanāla impulss tiek tālāk saspiests līdz 2,6 Fs pēc saspiešanas paņēmiena, 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. Kad impulsa fāze katrā kanālā nav bloķēta, fokusa intensitāte var Sasniedziet 9 × 1025 ar/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 ir ne vairāk kā 10 lietotāju laboratorijas, un katrs no tiem saņem vienu vai vairākus starus eksperimentiem. Izmantojot šo ārkārtīgi spēcīgo gaismas lauku, XCELS projekts plāno veikt eksperimentus četrās kategorijās: kvantu elektrodinamikas procesi intensīvos lāzera laukos; Daļiņu ražošana un paātrinājums; Sekundārā elektromagnētiskā starojuma ģenerēšana; Laboratoriskā astrofizika, augstas enerģijas blīvuma procesi un diagnostikas pētījumi.
Fig. 2 Ģeometrijas fokusēšana galvenajā mērķa kamerā. Skaidrības labad 6 stara 6 spogulis ir iestatīts uz caurspīdīgu, un ieejas un izejas stariem ir tikai divi 1. un 7. kanāli
3. attēlā parādīts katra XCELS lāzera sistēmas funkcionālā laukuma telpiskais izkārtojums eksperimentālajā ēkā. Pagrabstāvā atrodas elektrība, vakuuma sūkņi, ūdens apstrāde, attīrīšana un gaisa kondicionēšana. Kopējā celtniecības platība ir vairāk nekā 24 000 m2. Kopējais enerģijas patēriņš ir aptuveni 7,5 MW. Eksperimentālā ēka sastāv no iekšēja doba vispārējā rāmja un ārējās sadaļas, kas katra ir balstīta uz diviem atsaistītiem pamatiem. Vakuuma un citas vibrācijas izraisošās sistēmas ir uzstādītas uz vibrācijas izolētā pamata, tā ka lāzera sistēmai pārraidīto traucējumu amplitūda caur pamatu un atbalstu tiek samazināta līdz mazāk nekā 10-10 G2/Hz frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences diapazonā frekvences 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 zinātnisku pētījumu iespēju, kuras pamatā ir ārkārtīgi augsti maksimuma lāzeri. Viens XCELS lāzera sistēmas kanāls var nodrošināt fokusētu gaismas intensitāti vairākas reizes augstāk par 1024 w/cm2, kuru ar pēckompresijas tehnoloģiju var pārsniegt 1025 w/cm2. Ar dipolu fokusējošiem impulsiem no 12 kanāliem lāzera sistēmā, intensitāti, kas ir tuvu 1026 w/cm2, var sasniegt pat bez pēckompresijas un fāzes bloķēšanas. Ja fāzes sinhronizācija starp kanāliem ir bloķēta, gaismas intensitāte būs vairākas reizes lielāka. Izmantojot šo rekordlielo impulsa intensitāti un daudzkanālu staru izkārtojumu, nākotnes XCELS iekārta varēs veikt eksperimentus ar ārkārtīgi lielu intensitāti, sarežģītu gaismas lauka sadalījumu un diagnosticēt mijiedarbību, izmantojot daudzkanālu lāzera starus un sekundāro starojumu. Tam būs unikāla loma īpaši spēcīgā elektromagnētiskā lauka eksperimentālās fizikas jomā.
Pasta laiks: 26.-2024. Marks