Venäjän tiedeakatemian sovelletun fysiikan laitos esitteli hiljattain eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) -keskuksen, joka on tutkimusohjelma, joka on suunnattu erittäin tehokkaille tieteellisille laitteille.suuritehoiset laseritHankkeeseen kuuluu erittäinsuuritehoinen laserperustuu optiseen parametriseen siristettyjen pulssien vahvistustekniikkaan suuren aukon kaliumdideuteriumfosfaatti (DKDP, kemiallinen kaava KD2PO4) -kiteissä, ja jonka odotettu kokonaisteho on 600 PW huipputehopulsseja. Tämä työ tarjoaa tärkeitä yksityiskohtia ja tutkimustuloksia XCELS-projektista ja sen laserjärjestelmistä, kuvaaen sovelluksia ja mahdollisia vaikutuksia, jotka liittyvät erittäin voimakkaisiin valokenttävuorovaikutuksiin.
XCELS-ohjelma ehdotettiin vuonna 2011, ja sen alkuperäisenä tavoitteena oli huipputehon saavuttaminenlaserpulssiteho 200 PW, joka on tällä hetkellä päivitetty 600 PW:iin. Senlaserjärjestelmäperustuu kolmeen keskeiseen teknologiaan:
(1) Perinteisen siristettyjen pulssien vahvistustekniikan (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) sijaan käytetään optista parametrista siristettyjen pulssien vahvistustekniikkaa (OPCPA).
(2) Käyttämällä DKDP:tä vahvistusväliaineena, ultralaajakaistainen vaihesovitus toteutetaan lähellä 910 nm:n aallonpituutta;
(3) Suuriaukkoista neodyymilasilaseria, jonka pulssienergia on tuhansia jouleja, käytetään parametrisen vahvistimen pumppaamiseen.
Ultralaajakaistaista vaihesovitusta käytetään laajalti monissa kiteissä ja sitä käytetään OPCPA-femtosekuntilasereissa. DKDP-kiteitä käytetään, koska ne ovat käytännössä ainoa materiaali, jota voidaan kasvattaa kymmenien senttimetrien aukkoon ja jolla on samalla hyväksyttävät optiset ominaisuudet moni-PW-tehon vahvistamisen tukemiseksi.laserit. Havaitaan, että kun DKDP-kidettä pumpataan ND-lasilaserin kaksitaajuisella valolla ja vahvistetun pulssin kantoaallonpituus on 910 nm, aaltovektorin epäsuhdan Taylor-laajennuksen kolme ensimmäistä termiä ovat 0.
Kuva 1 on XCELS-laserjärjestelmän kaaviokuva. Etuosa tuotti siristettyjä femtosekuntipulsseja, joiden keskeinen aallonpituus oli 910 nm (1,3 kuvassa 1), ja 1054 nm:n nanosekunnin pulsseja, jotka injektoitiin OPCPA-pumpattuun laseriin (1,1 ja 1,2 kuvassa 1). Etuosa varmistaa myös näiden pulssien synkronoinnin sekä tarvittavat energia- ja spatiaali-ajaparametrit. Välissä oleva OPCPA, joka toimii suuremmalla toistotaajuudella (1 Hz), vahvistaa siristellyn pulssin kymmeniksi jouleiksi (2 kuvassa 1). Tehostettu OPCPA vahvistaa pulssin edelleen yhdeksi kilojoulesäteeksi ja jakaa sen 12 identtiseksi osasäteeksi (4 kuvassa 1). Viimeisessä 12 OPCPA:ssa jokainen 12 siristellystä valopulssista vahvistetaan kilojouletasolle (5 kuvassa 1) ja sitten pakataan 12 puristushilalla (GC 6 kuvassa 1). Akusto-optista ohjelmoitavaa dispersiosuodatinta käytetään etupäässä ryhmänopeusdispersion ja korkeamman kertaluvun dispersion tarkkaan ohjaamiseen, jotta saavutetaan mahdollisimman pieni pulssinleveys. Pulssispektri on muodoltaan lähes 12. kertaluvun supergaussia, ja spektrin kaistanleveys 1 %:ssa maksimiarvosta on 150 nm, mikä vastaa Fourier-muunnoksen pulssinleveyden raja-arvoa 17 fs. Ottaen huomioon epätäydellisen dispersion kompensoinnin ja epälineaarisen vaihekompensoinnin vaikeuden parametrisissa vahvistimissa, odotettu pulssinleveys on 20 fs.
XCELS-laserissa käytetään kahta 8-kanavaista UFL-2M neodyymilasista valmistettua lasertaajuuden kaksinkertaistavaa moduulia (3 kuvassa 1), joista 13 kanavaa käytetään tehoste-OPCPA:n ja 12 lopullisen OPCPA:n pumppaamiseen. Loput kolme kanavaa toimivat itsenäisinä nanosekunnin kilojoulepulsseina.laserlähteetmuita kokeita varten. DKDP-kiteiden optisen läpilyöntikynnyksen rajoittamana pumpatun pulssin säteilyintensiteetti on asetettu 1,5 GW/cm2:iin kullekin kanavalle ja kesto on 3,5 ns.
Jokainen XCELS-laserin kanava tuottaa 50 PW:n tehoisia pulsseja. Yhteensä 12 kanavaa tuottaa yhteensä 600 PW:n lähtötehon. Pääkohteen kammiossa kunkin kanavan suurin fokusointiteho ihanteellisissa olosuhteissa on 0,44 × 10²⁶ W/cm² olettaen, että fokusointiin käytetään F/1-tarkennuselementtejä. Jos kunkin kanavan pulssi puristetaan edelleen 2,6 fs:iin jälkikompressiotekniikalla, vastaava lähtöpulssin teho kasvaa 230 PW:iin, mikä vastaa 2,0 × 10²⁶ W/cm²:n valonintensiteettiä.
Suuremman valon intensiteetin saavuttamiseksi 600 PW:n teholla 12 kanavan valopulssit fokusoidaan käänteisen dipolisäteilyn geometriaan, kuten kuvassa 2 on esitetty. Kun kunkin kanavan pulssivaihetta ei ole lukittu, fokusointi-intensiteetti voi nousta arvoon 9 × 10²⁶ W/cm². Jos jokainen pulssivaihe lukitaan ja synkronoidaan, koherentti resultanttivalon intensiteetti kasvaa arvoon 3,2 × 10²⁶ W/cm². Pääkohdehuoneen lisäksi XCELS-projektiin kuuluu jopa 10 käyttäjälaboratoriota, joista kukin vastaanottaa yhden tai useamman säteen kokeita varten. Tätä erittäin voimakasta valokenttää käyttäen XCELS-projektissa on tarkoitus suorittaa kokeita neljässä kategoriassa: kvanttielektrodynamiikan prosessit voimakkaissa laserkentissä; hiukkasten tuotanto ja kiihdytys; sekundaarisen sähkömagneettisen säteilyn generointi; laboratorioastrofysiikka, suurenergiset prosessit ja diagnostinen tutkimus.
KUVA 2. Tarkennusgeometria pääkohteen kammiossa. Selkeyden vuoksi säteen 6 parabolinen peili on asetettu läpinäkyväksi, ja tulo- ja lähtösäteissä näkyy vain kaksi kanavaa 1 ja 7.
Kuva 3 esittää XCELS-laserjärjestelmän kunkin toiminnallisen alueen alueellisen sijoittelun koerakennuksessa. Sähkö, tyhjiöpumput, vedenkäsittely, puhdistus ja ilmastointi sijaitsevat kellarikerroksessa. Kokonaisrakennusala on yli 24 000 m2. Kokonaisenergiankulutus on noin 7,5 MW. Koerakennus koostuu sisäisestä ontosta rungosta ja ulkoisesta osasta, jotka kumpikin on rakennettu kahdelle erilliselle perustukselle. Tyhjiö ja muut tärinää aiheuttavat järjestelmät on asennettu tärinäeristetylle perustukselle siten, että laserjärjestelmään perustusten ja tuen kautta välittyvän häiriön amplitudi pienenee alle 10-10 g2/Hz:iin taajuusalueella 1-200 Hz. Lisäksi laserhalliin on asennettu geodeettisten referenssimerkkien verkosto maan ja laitteiden ajautumisen järjestelmälliseksi seuraamiseksi.
XCELS-projektin tavoitteena on luoda laaja tieteellinen tutkimuslaitos, joka perustuu erittäin suuren huipputehon lasereihin. Yksi XCELS-laserjärjestelmän kanava voi tuottaa fokusoidun valon intensiteetin, joka on useita kertoja suurempi kuin 1024 W/cm2, ja jälkikompressiotekniikalla tämä teho voidaan ylittää jopa 1025 W/cm2. Dipolifokusoimalla pulsseja laserjärjestelmän 12 kanavasta voidaan saavuttaa lähes 1026 W/cm2:n intensiteetti jopa ilman jälkikompressiota ja vaihelukitusta. Jos kanavien välinen vaihesynkronointi lukitaan, valon intensiteetti on moninkertainen. Näiden ennätyksellisten pulssiintensiteettien ja monikanavaisen sädeasettelun avulla tuleva XCELS-laitos pystyy suorittamaan kokeita erittäin suurilla intensiteeteillä ja monimutkaisilla valokenttäjakaumilla sekä diagnosoimaan vuorovaikutuksia käyttämällä monikanavaisia lasersäteitä ja sekundääristä säteilyä. Tällä on ainutlaatuinen rooli supervahvan sähkömagneettisen kentän kokeellisen fysiikan alalla.
Julkaisun aika: 26.3.2024