Neseniai Rusijos mokslų akademijos Taikomosios fizikos institutas pristatė „eXawatt“ ekstremalaus apšvietimo tyrimų centrą (XCELS) – tai tyrimų programa, skirta dideliems moksliniams prietaisams, paremtiems itin stipriais spinduliais.didelės galios lazeriaiProjektas apima labaididelės galios lazerispagrįstas optinio parametrinio čirpuoto impulso stiprinimo technologija didelės apertūros kalio dideterio fosfato (DKDP, cheminė formulė KD2PO4) kristaluose, kurio numatoma bendra 600 PW didžiausios galios impulsų galia. Šiame darbe pateikiama svarbi informacija ir tyrimų rezultatai apie XCELS projektą ir jo lazerines sistemas, aprašant pritaikymą ir galimą poveikį, susijusį su itin stipria šviesos lauko sąveika.
XCELS programa buvo pasiūlyta 2011 m., o pradinis tikslas buvo pasiekti maksimalią galiąlazeris200 PW impulsų išvestis, kuri šiuo metu yra padidinta iki 600 PW. Joslazerinė sistemaremiasi trimis pagrindinėmis technologijomis:
(1) Vietoj tradicinės čirpuotų impulsų stiprinimo (čirpuotų impulsų stiprinimo, OPCPA) technologijos naudojama optinio parametrinio čirpuotų impulsų stiprinimo (OPCPA) technologija. CPA;
(2) Naudojant DKDP kaip stiprinimo terpę, realizuojamas itin plataus dažnių diapazono fazių suderinimas, kai bangos ilgis yra artimas 910 nm;
(3) Didelės apertūros neodimio stiklo lazeris, kurio impulsinė energija siekia tūkstančius džaulių, naudojamas parametriniam stiprintuvui sužadinti.
Itin plataus diapazono fazių suderinimas plačiai aptinkamas daugelyje kristalų ir naudojamas OPCPA femtosekundiniuose lazeriuose. DKDP kristalai naudojami todėl, kad tai vienintelė praktiškai randama medžiaga, kurią galima išauginti iki dešimčių centimetrų apertūros ir tuo pačiu metu turėti priimtinas optines savybes, kad būtų galima sustiprinti daugiafunkcinę galią.lazeriaiNustatyta, kad kai DKDP kristalą kaupina dvigubo dažnio ND stiklo lazerio šviesa, o sustiprinto impulso nešiklio bangos ilgis yra 910 nm, bangos vektoriaus neatitikimo Teiloro sklaidos pirmieji trys nariai yra lygūs 0.
1 paveiksle pateikta XCELS lazerinės sistemos schema. Priekinis galas generuoja čirpuotus femtosekundinius impulsus, kurių centrinis bangos ilgis yra 910 nm (1,3 1 paveiksle), ir 1054 nm nanosekundinius impulsus, injekuojamus į OPCPA kaupinamą lazerį (1,1 ir 1,2 1 paveiksle). Priekinis galas taip pat užtikrina šių impulsų sinchronizavimą, taip pat reikiamus energijos ir erdvės bei laiko parametrus. Tarpinis OPCPA, veikiantis didesniu pasikartojimo dažniu (1 Hz), sustiprina čirpuotą impulsą iki dešimčių džaulių (2 1 paveiksle). Impulsą toliau stiprina stiprintuvo OPCPA į vieną kilodžaulių spindulį ir padalijamas į 12 identiškų šalutinių spindulių (4 1 paveiksle). Paskutiniame 12 OPCPA kiekvienas iš 12 čirpuotų šviesos impulsų sustiprinamas iki kilodžaulių lygio (5 1 paveiksle), o tada suspaudžiamas 12 suspaudimo gardelių (GC iš 6 1 paveiksle). Priekinėje dalyje naudojamas akustinis-optinis programuojamas dispersijos filtras, skirtas tiksliai valdyti grupės greičio dispersiją ir aukštesnės eilės dispersiją, kad būtų gautas kuo mažesnis impulso plotis. Impulsų spektras yra beveik 12-os eilės supergauso formos, o spektrinis pralaidumas ties 1 % maksimalios vertės yra 150 nm, tai atitinka Furjė transformacijos ribinį impulso plotį, kuris yra 17 fs. Atsižvelgiant į nepilną dispersijos kompensavimą ir netiesinio 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 stiprintuvo OPCPA ir 12 galutinio OPCPA impulsams generuoti. Likę trys kanalai bus naudojami kaip nepriklausomi nanosekundžių kilodžaulių impulsai.lazerio šaltiniaikitiems eksperimentams. DKDP kristalų optinio pramušimo slenksčio apribojimu kaupinamo impulso apšvitos intensyvumas kiekvienam kanalui nustatytas ties 1,5 GW/cm2, o trukmė – 3,5 ns.
Kiekvienas XCELS lazerio kanalas sukuria 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 × 10²⁶ W/cm², darant prielaidą, kad fokusavimui naudojami F/1 fokusavimo elementai. Jei kiekvieno kanalo impulsas papildomai suspaudžiamas iki 2,6 fs naudojant papildomo suspaudimo techniką, atitinkama išėjimo impulso galia padidėja iki 230 PW, o tai atitinka 2,0 × 10²⁶ W/cm² šviesos intensyvumą.
Siekiant didesnio šviesos intensyvumo, esant 600 PW išvesties galiai, 12 kanalų šviesos impulsai bus sufokusuoti atvirkštinės dipolio spinduliuotės geometrijoje, kaip parodyta 2 paveiksle. Kai impulso fazė kiekviename kanale nėra užfiksuota, fokusavimo intensyvumas gali siekti 9 × 10²⁶ W/cm². Jei kiekviena impulso fazė yra užfiksuota ir sinchronizuota, koherentinis atstojamasis šviesos intensyvumas padidės iki 3,2 × 10²⁶ W/cm². Be pagrindinės taikinių patalpos, XCELS projekte yra iki 10 naudotojų laboratorijų, kurių kiekviena gauna vieną ar daugiau spindulių eksperimentams. Naudodama šį itin stiprų šviesos lauką, XCELS projekte planuojama atlikti eksperimentus keturiose kategorijose: kvantinės elektrodinamikos procesai intensyviuose lazeriniuose laukuose; dalelių gamyba ir greitinimas; antrinės elektromagnetinės spinduliuotės generavimas; laboratorinė astrofizika, didelio energijos tankio procesai ir diagnostiniai tyrimai.
2 PAV. Fokusavimo geometrija pagrindinėje taikinio kameroje. Aiškumo dėlei 6 spindulio parabolinis veidrodis nustatytas į skaidrų, o įėjimo ir išėjimo spinduliai rodo tik du kanalus – 1 ir 7.
3 paveiksle parodytas kiekvienos XCELS lazerinės sistemos funkcinės zonos erdvinis išdėstymas eksperimentiniame pastate. Rūsyje yra elektros instaliacija, vakuuminiai siurbliai, vandens valymo, valymo ir oro kondicionavimo įrenginiai. Bendras pastato plotas yra daugiau nei 24 000 m2. Bendras energijos suvartojimas yra apie 7,5 MW. Eksperimentinį pastatą sudaro vidinis tuščiaviduris bendrasis rėmas ir išorinė dalis, kiekviena pastatyta ant dviejų atskirtų pamatų. Vakuuminė ir kitos vibraciją sukeliančios sistemos yra sumontuotos ant vibraciją izoliuojančio pamato, kad lazerinei sistemai per pamatą ir atramą perduodamų trikdžių amplitudė būtų sumažinta iki mažiau nei 10-10 g2/Hz 1–200 Hz dažnių diapazone. Be to, lazerių salėje įrengtas geodezinių atskaitos žymeklių tinklas, skirtas sistemingai stebėti žemės ir įrangos poslinkį.
XCELS projekto tikslas – sukurti didelę mokslinių tyrimų laboratoriją, pagrįstą itin didelės maksimalios galios lazeriais. Vienas XCELS lazerinės sistemos kanalas gali užtikrinti fokusuotą šviesos intensyvumą, kuris yra kelis kartus didesnis nei 1024 W/cm2, o naudojant papildomo suspaudimo technologiją šį intensyvumą galima dar labiau viršyti 1025 W/cm2. Dipolinio fokusavimo būdu fokusuojant impulsus iš 12 lazerinės sistemos kanalų, galima pasiekti artimą 1026 W/cm2 intensyvumą net ir be papildomo suspaudimo bei fazės fiksavimo. Užfiksavus fazės sinchronizaciją tarp kanalų, šviesos intensyvumas bus kelis kartus didesnis. Naudodama šiuos rekordinius impulsų intensyvumus ir daugiakanalį spindulių išdėstymą, būsima XCELS laboratorija galės atlikti eksperimentus su itin dideliu intensyvumu, sudėtingais šviesos lauko pasiskirstymais ir diagnozuoti sąveikas, naudodama daugiakanalius lazerio spindulius ir antrinę spinduliuotę. Tai atliks unikalų vaidmenį itin stiprių elektromagnetinių laukų eksperimentinės fizikos srityje.
Įrašo laikas: 2024 m. kovo 26 d.