Neseniai Rusijos mokslų akademijos Taikomosios fizikos institutas pristatė „eXawatt Center for Extreme Light Study“ (XCELS) – didelių mokslinių prietaisų tyrimų programą, pagrįstą itin didelio masto moksliniais prietaisais.didelės galios lazeriai. Projektas apima labaididelės galios lazerispagrįsta optine parametrine čirškiamo impulso stiprinimo technologija didelės diafragmos kalio dideuterio fosfato (DKDP, cheminė formulė KD2PO4) kristaluose, kurių numatoma bendra galia – 600 PW didžiausios galios impulsų. Šiame darbe pateikiama svarbi informacija ir tyrimų išvados apie XCELS projektą ir jo lazerines sistemas, aprašomos programos ir galimas poveikis, susijęs su itin stipria šviesos lauko sąveika.
XCELS programa buvo pasiūlyta 2011 m., kai pradinis tikslas buvo pasiekti didžiausią galiąlazeris200 PW impulsų galia, kuri šiuo metu yra padidinta iki 600 PW. Jolazerine sistemaremiasi trimis pagrindinėmis technologijomis:
(1) Vietoj tradicinio čirškiamo impulso stiprinimo (OPCPA) naudojama optinio parametrinio čirškiamo impulso stiprinimo (OPCPA) technologija. CPA) technologija;
(2) Naudojant DKDP kaip stiprinimo terpę, itin plačiajuostis fazių suderinimas pasiekiamas netoli 910 nm bangos ilgio;
(3) Parametriniam stiprintuvui siurbti naudojamas didelės apertūros neodimio stiklo lazeris, kurio impulso energija yra tūkstančiai džaulių.
Itin plačiajuostis fazių suderinimas plačiai randamas daugelyje kristalų ir naudojamas OPCPA femtosekundiniuose lazeriuose. DKDP kristalai naudojami, nes jie yra vienintelė praktiškai randama medžiaga, kurią galima išauginti iki dešimčių centimetrų diafragmos ir tuo pat metu turėti priimtinas optines savybes, kad būtų galima sustiprinti kelių PW galią.lazeriai. Nustatyta, kad kai DKDP kristalas pumpuojamas ND stiklo lazerio dvigubo dažnio šviesa, jei sustiprinto impulso nešiklio bangos ilgis yra 910 nm, pirmieji trys Tayloro bangos vektoriaus neatitikimo išplėtimo nariai yra 0.
1 paveiksle pateiktas XCELS lazerinės sistemos schematiškas išdėstymas. Priekinis galas generavo čirpiuojamus femtosekundžių impulsus, kurių centrinis bangos ilgis buvo 910 nm (1,3 pav.), ir 1054 nm nanosekundžių impulsus, įšvirkštus į OPCPA pumpuojamą lazerį (1,1 ir 1,2 1 paveiksle). Priekinė dalis taip pat užtikrina šių impulsų sinchronizavimą, taip pat reikiamus energijos ir erdvėlaikio parametrus. Tarpinis OPCPA, veikiantis didesniu pasikartojimo dažniu (1 Hz), sustiprina čirškiamąjį impulsą iki dešimčių džaulių (2 1 paveiksle). Impulsą toliau sustiprina Booster OPCPA į vieną kilodžaulio pluoštą ir padalija į 12 identiškų papildomų pluoštų (4 1 paveiksle). Paskutiniuose 12 OPCPA kiekvienas iš 12 čirpiuojamų šviesos impulsų sustiprinamas iki kilodžaulio lygio (5 1 paveiksle), o po to suspaudžiamas 12 suspaudimo grotelių (GC 6 1 paveiksle). Akusto-optinis programuojamas dispersijos filtras naudojamas priekinėje dalyje, siekiant tiksliai valdyti grupės greičio sklaidą ir didelės eilės sklaidą, kad būtų pasiektas kuo mažesnis impulsų plotis. Impulsų spektras yra beveik 12-osios eilės supergauso formos, o spektro juostos plotis, esant 1% didžiausios vertės, yra 150 nm, o tai atitinka Furjė transformacijos ribinį impulso plotį 17 fs. Atsižvelgiant į nepilną dispersijos kompensavimą ir netiesinės fazės kompensavimo sudėtingumą parametriniuose stiprintuvuose, numatomas impulso plotis yra 20 fs.
XCELS lazeryje bus naudojami du 8 kanalų UFL-2M neodimio stiklo lazerio dažnio padvigubinimo moduliai (3 1 paveiksle), iš kurių 13 kanalų bus naudojami Booster OPCPA siurbimui ir 12 galutinių OPCPA. Likę trys kanalai bus naudojami kaip nepriklausomi nanosekundžių kilodžaulio impulsailazeriniai šaltiniaikitiems eksperimentams. Apribotas DKDP kristalų optinio skilimo slenksčio, pumpuojamo impulso švitinimo intensyvumas kiekvienam kanalui yra 1,5 GW/cm2, o trukmė – 3,5 ns.
Kiekvienas XCELS lazerio kanalas gamina 50 PW galios impulsus. Iš viso 12 kanalų užtikrina 600 PW bendrą išėjimo galią. Pagrindinėje taikinio kameroje kiekvieno kanalo maksimalus fokusavimo intensyvumas idealiomis sąlygomis yra 0,44×1025 W/cm2, darant prielaidą, kad fokusavimui naudojami F/1 fokusavimo elementai. Jei kiekvieno kanalo impulsas bus dar labiau suspaustas iki 2,6 fs taikant posuspaudimo metodą, atitinkama išėjimo impulso galia bus padidinta iki 230 PW, o tai atitinka 2,0 × 1025 W/cm2 šviesos intensyvumą.
Norint pasiekti didesnį šviesos intensyvumą, esant 600 PW galiai, šviesos impulsai 12 kanalų bus sufokusuoti atvirkštinės dipolio spinduliuotės geometrijoje, kaip parodyta 2 paveiksle. Kai impulsų fazė kiekviename kanale nėra užrakinta, fokusavimo intensyvumas gali pasiekti 9×1025 W/cm2. Jei kiekviena impulso fazė yra užrakinta ir sinchronizuojama, nuoseklus gaunamas šviesos intensyvumas bus padidintas iki 3,2 × 1026 W/cm2. Be pagrindinės tikslinės patalpos, XCELS projekte yra iki 10 vartotojų laboratorijų, kurių kiekviena gauna vieną ar daugiau spindulių eksperimentams. Naudojant šį itin stiprų šviesos lauką, projekte XCELS planuojama atlikti keturių kategorijų eksperimentus: kvantinės elektrodinamikos procesai intensyviuose lazerio laukuose; Dalelių gamyba ir pagreitinimas; antrinės elektromagnetinės spinduliuotės generavimas; Laboratorinė astrofizika, didelio energijos tankio procesai ir diagnostiniai tyrimai.
Fig. 2 Fokusavimo geometrija pagrindinėje taikinio kameroje. Aiškumo dėlei 6 pluošto parabolinis veidrodis nustatytas kaip skaidrus, o įvesties ir išvesties spinduliai rodo tik du kanalus 1 ir 7
3 paveiksle parodytas kiekvienos XCELS lazerinės sistemos funkcinės srities erdvinis išdėstymas eksperimentiniame pastate. Rūsyje yra elektra, vakuuminiai siurbliai, vandens valymas, valymas ir kondicionavimas. Bendras statybos plotas – daugiau nei 24 000 m2. Bendras energijos suvartojimas yra apie 7,5 MW. Eksperimentinį pastatą sudaro vidinis tuščiaviduris bendras karkasas ir išorinė dalis, kurių kiekviena pastatyta ant dviejų atsietų pamatų. Vakuuminės ir kitos vibraciją sukeliančios sistemos įrengiamos ant vibraciją izoliuojančių pamatų taip, kad per pamatą ir atramą lazerinei sistemai perduodamų trikdžių amplitudė būtų sumažinta iki mažesnės nei 10-10 g2/Hz dažnių diapazone. 1-200 Hz. Be to, lazerių salėje yra įrengtas geodezinių etaloninių žymeklių tinklas, skirtas sistemingai stebėti grunto ir įrangos poslinkį.
XCELS projektu siekiama sukurti didelę mokslinių tyrimų infrastruktūrą, paremtą itin didelės didžiausios galios lazeriais. Vienas XCELS lazerinės sistemos kanalas gali suteikti fokusuotos šviesos intensyvumą, kelis kartus didesnį nei 1024 W/cm2, o tai gali būti dar viršyta 1025 W/cm2 naudojant posuspaudimo technologiją. Naudojant dipolio fokusavimo impulsus iš 12 kanalų lazerinėje sistemoje, galima pasiekti artimą 1026 W/cm2 intensyvumą net ir be papildomo suspaudimo ir fazės fiksavimo. Jei fazių sinchronizavimas tarp kanalų yra užrakintas, šviesos intensyvumas bus kelis kartus didesnis. Naudodamas šiuos rekordinius impulsų intensyvumus ir kelių kanalų pluošto išdėstymą, būsimasis XCELS įrenginys galės atlikti itin didelio intensyvumo, sudėtingo šviesos lauko pasiskirstymo eksperimentus ir diagnozuoti sąveikas naudojant kelių kanalų lazerio pluoštus ir antrinę spinduliuotę. Tai atliks unikalų vaidmenį itin stiprios elektromagnetinio lauko eksperimentinės fizikos srityje.
Paskelbimo laikas: 2024-03-26