Äskettäin Venäjän tiedeakatemian sovelletun fysiikan instituutti esitteli eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) -tutkimusohjelman suurille tieteellisille laitteille, jotka perustuvat äärimmäisensuuritehoiset laserit. Hanke sisältää rakentamisen erittäinsuuritehoinen laserperustuu optiseen parametriseen sirkutettuun pulssin vahvistustekniikkaan suuren aukon kaliumdideuteriumfosfaattikiteissä (DKDP, kemiallinen kaava KD2PO4) ja odotettavissa oleva kokonaisteho on 600 PW huipputehopulssia. Tämä työ tarjoaa tärkeitä yksityiskohtia ja tutkimustuloksia XCELS-projektista ja sen laserjärjestelmistä sekä kuvaa ultravahvan valokentän vuorovaikutuksen sovelluksia ja mahdollisia vaikutuksia.
XCELS-ohjelmaa ehdotettiin vuonna 2011, ja sen alkuperäinen tavoite oli saavuttaa huipputeholaserpulssiteho 200 PW, joka on tällä hetkellä päivitetty 600 PW:iin. Senlaserjärjestelmäperustuu kolmeen avainteknologiaan:
(1) Optinen parametrinen sirkutettu pulssivahvistus (OPCPA) -tekniikkaa käytetään perinteisen Chirped Pulse Amplification (OPCPA, Chirped Pulse Amplification) sijaan. CPA) teknologia;
(2) Käyttämällä DKDP:tä vahvistusvälineenä ultralaajakaistainen vaihesovitus toteutetaan lähellä 910 nm aallonpituutta;
(3) Parametrisen vahvistimen pumppaamiseen käytetään suuren aukon neodyymilasilaseria, jonka pulssienergia on tuhansia joulea.
Ultralaajakaistainen vaihesovitus löytyy laajalti monista kiteistä, ja sitä käytetään OPCPA-femtosekundisissä lasereissa. DKDP-kiteitä käytetään, koska ne ovat ainoa käytännössä löydetty materiaali, joka voidaan kasvattaa kymmenien senttimetrien aukkoon ja jolla on samanaikaisesti hyväksyttävät optiset ominaisuudet tukemaan usean PW-tehon vahvistusta.laserit. On havaittu, että kun DKDP-kidettä pumpataan ND-lasilaserin kaksitaajuisella valolla, jos vahvistetun pulssin kantoaallonpituus on 910 nm, aaltovektorin yhteensopimattomuuden Taylor-laajennuksen kolme ensimmäistä termiä ovat 0.
Kuva 1 on kaaviomainen layout XCELS-laserjärjestelmästä. Etupää generoi sirkutettuja femtosekunnin pulsseja, joiden keskusaallonpituus oli 910 nm (1,3 kuvassa 1) ja 1 054 nm nanosekunnin pulsseja, jotka ruiskutettiin OPCPA-pumpattavaan laseriin (1,1 ja 1,2 kuvassa 1). Etuosa varmistaa myös näiden pulssien synkronoinnin sekä tarvittavat energia- ja spatiotemporaaliset parametrit. Korkeammalla toistotaajuudella (1 Hz) toimiva väli-OPCPA vahvistaa sirkutetun pulssin kymmeniin jouleihin (2 kuvassa 1). Booster OPCPA vahvistaa pulssin edelleen yhdeksi kilojoulesäteeksi ja jakaa 12 identtiseen osakeilaan (4 kuvassa 1). Viimeisissä 12 OPCPA:ssa kukin 12 sirkutusta valopulssista vahvistetaan kilojouletasolle (5 kuvassa 1) ja puristetaan sitten 12 puristushilalla (GC 6 kuvassa 1). Akusto-optista ohjelmoitavaa dispersiosuodatinta käytetään etupäässä ohjaamaan tarkasti ryhmän nopeusdispersiota ja korkealuokkaista hajontaa, jotta saavutetaan pienin mahdollinen pulssin leveys. Pulssispektri on muodoltaan lähes 12. kertaluvun supergauss, ja spektrin kaistanleveys 1 %:lla maksimiarvosta on 150 nm, mikä vastaa Fourier-muunnosrajapulssin leveyttä 17 fs. Kun otetaan huomioon epätäydellinen dispersiokompensointi ja epälineaarisen vaihekompensoinnin vaikeus parametrivahvistimissa, odotettu pulssin leveys on 20 fs.
XCELS-laserissa käytetään kahta 8-kanavaista UFL-2M neodyymilasilasertaajuuden kaksinkertaistamismoduulia (3 kuvassa 1), joista 13 kanavaa käytetään Booster OPCPA:n pumppaamiseen ja 12 lopullinen OPCPA. Loput kolmea kanavaa käytetään itsenäisinä nanosekunnin kilojoule-pulssinalaserlähteetmuihin kokeisiin. DKDP-kiteiden optisen läpilyöntikynnyksen rajoittamana pumpatun pulssin säteilyintensiteetti on asetettu arvoon 1,5 GW/cm2 kullekin kanavalle ja kesto on 3,5 ns.
Jokainen XCELS-laserin kanava tuottaa pulsseja, joiden teho on 50 PW. Yhteensä 12 kanavaa tarjoavat kokonaislähtötehon 600 PW. Pääkohdekammiossa kunkin kanavan suurin tarkennusintensiteetti ihanteellisissa olosuhteissa on 0,44×1025 W/cm2 olettaen, että tarkennukseen käytetään F/1-tarkennuselementtejä. Jos kunkin kanavan pulssi kompressoidaan edelleen 2,6 fs:iin jälkipakkaustekniikalla, vastaava ulostulopulssiteho kasvaa 230 PW:iin, mikä vastaa valon intensiteettiä 2,0 × 1025 W/cm2.
Suuremman valon intensiteetin saavuttamiseksi teholla 600 PW 12 kanavan valopulssit kohdistetaan käänteisen dipolisäteilyn geometriaan, kuten kuvassa 2. Kun pulssivaihetta ei ole lukittu kummassakaan kanavassa, tarkennuksen intensiteetti voi saavuttaa 9×1025 W/cm2. Jos jokainen pulssivaihe lukitaan ja synkronoidaan, koherentin tuloksena olevan valon intensiteetti kasvaa arvoon 3,2 × 1026 W/cm2. Pääkohdehuoneen lisäksi XCELS-projekti sisältää jopa 10 käyttäjälaboratoriota, joista jokainen vastaanottaa yhden tai useamman säteen kokeita varten. Käyttämällä tätä erittäin vahvaa valokenttää XCELS-projekti suunnittelee suorittavansa kokeita neljässä kategoriassa: kvanttielektrodynamiikan prosessit intensiivisissä laserkentissä; Hiukkasten tuotanto ja kiihdytys; Toissijaisen sähkömagneettisen säteilyn tuottaminen; Laboratorioastrofysiikka, korkean energiatiheyden prosessit ja diagnostinen tutkimus.
KUVA. 2 Tarkennusgeometria pääkohdekammiossa. Selvyyden vuoksi säteen 6 parabolinen peili on asetettu läpinäkyväksi, ja tulo- ja lähtösäteet näyttävät vain kaksi kanavaa 1 ja 7
Kuvassa 3 on esitetty koerakennuksen XCELS-laserjärjestelmän kunkin toiminnallisen alueen tila-asetelma. Sähkö, tyhjiöpumput, vedenkäsittely, puhdistus ja ilmastointi sijaitsevat kellarissa. Rakennusalan kokonaispinta-ala on yli 24 000 m2. Kokonaisvirrankulutus on noin 7,5 MW. Kokeellinen rakennus koostuu sisäisestä ontosta haalarirungosta ja ulkoosasta, jotka kumpikin on rakennettu kahdelle irrotetulle perustukselle. Tyhjiö ja muut tärinää aiheuttavat järjestelmät asennetaan tärinäeristetylle alustalle siten, että laserjärjestelmään perustuen ja tuen kautta välittyvän häiriön amplitudi pienenee alle 10-10 g2/Hz:n taajuusalueella. 1-200 Hz. Lisäksi laserhalliin rakennetaan geodeettisten referenssimerkkien verkosto, joka tarkkailee systemaattisesti maan ja laitteiden kulkeutumista.
XCELS-projektin tavoitteena on luoda suuri tieteellinen tutkimuslaitos, joka perustuu erittäin suuritehoisiin lasereihin. Yksi XCELS-laserjärjestelmän kanava voi tarjota fokusoidun valon intensiteetin, joka on useita kertoja suurempi kuin 1024 W/cm2, joka voidaan ylittää edelleen 1025 W/cm2 jälkipakkaustekniikalla. Laserjärjestelmän 12 kanavan dipolifokusointipulsseilla voidaan saavuttaa lähes 1026 W/cm2 intensiteetti jopa ilman jälkipuristusta ja vaihelukitusta. Jos kanavien välinen vaihesynkronointi on lukittu, valon voimakkuus on useita kertoja suurempi. Käyttämällä näitä ennätyksellisiä pulssiintensiteettiä ja monikanavaista sädeasettelua tuleva XCELS-laitos pystyy suorittamaan kokeita erittäin korkealla intensiteetillä, monimutkaisilla valokenttäjakaumilla ja diagnosoimaan vuorovaikutuksia käyttämällä monikanavaisia lasersäteitä ja toissijaista säteilyä. Tällä tulee olemaan ainutlaatuinen rooli erittäin vahvan sähkömagneettisen kentän kokeellisen fysiikan alalla.
Postitusaika: 26.3.2024