Äskettäin Venäjän tiedeakatemian soveltavan fysiikan instituutti esitteli Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) -tutkimusohjelman, jokasuuritehoiset laserit. Hanke sisältää hyvinsuuritehoinen laserPerustuu optiseen parametriseen sirpaleiseen pulssin monistustekniikkaan suuressa aukossa kalium dideuteriumfosfaatissa (DKDP, kemiallinen kaava KD2PO4), odotettavissa olevan kokonaistuotannon 600 PW -piikkitehopulssia. Tämä työ tarjoaa tärkeitä yksityiskohtia ja tutkimustuloksia Xcels-projektista ja sen laserjärjestelmistä, jotka kuvaavat sovelluksia ja potentiaalisia vaikutuksia, jotka liittyvät erittäin vahvaan valokentän vuorovaikutukseen.
Xcels -ohjelmaa ehdotettiin vuonna 2011 alkuperäinen tavoite saavuttaa huipputeholaserPulssituotto 200 pw, joka päivitetään tällä hetkellä 600 PW: ksi. Senlaserjärjestelmäluottaa kolmeen avaintekniikkaan:
(1) Optista parametrista sirpustettua pulssin monistustekniikkaa (OPCPA) -tekniikkaa käytetään perinteisen sirpaleisen pulssin monistuksen sijasta (sirpattu pulssin monistus, OPCPA). CPA) tekniikka;
(2) Käyttämällä DKDP: tä vahvistusväliaineena, erittäin laajakaistaisen vaiheen sovittaminen toteutetaan lähellä 910 nm: n aallonpituutta;
(3) Parametrisen vahvistimen pumppaamiseen käytetään suurta aukkoa neodyymilasilaseria, jonka pulssienergia on tuhansia jouleja.
Erittäin leveä kaistan vaiheen sovitus löytyy laajasti monista kiteistä, ja sitä käytetään OPCPA: n femtosekunnissa lasereissa. DKDP-kiteitä käytetään, koska ne ovat ainoat käytännössä löydetyt materiaalit, joita voidaan kasvattaa kymmeniin senttimetreihin aukosta ja joilla on samalla hyväksyttävä optiset ominaisuudet tukemaan moni-PW-tehoalaserit. On havaittu, että kun DKDP -kide pumpataan ND -lasilaserin kaksinkertaisen taajuuden valolla, jos monistetun pulssin kantoaaltoaallonpituus on 910 nm, aaltovektorin epäsuhta Taylorin laajenemisen kolme ensimmäistä termiä ovat 0.
Kuvio 1 on kaavamainen asettelu Xcels -laserjärjestelmästä. Etupää tuotti sirun femtosekunnin pulssit, joiden keskipituus oli 910 nm (1,3 kuvassa 1) ja 1054 nm nanosekunnin pulsseja, jotka injektoitiin OPCPA: n pumpattuun laseriin (1,1 ja 1,2 kuvassa 1). Etuosa varmistaa myös näiden pulssien synkronoinnin sekä vaadittavat energia- ja spatiotemporaaliset parametrit. Väliaikainen OPCPA, joka toimii korkeammalla toistotaajuudella (1 Hz), vahvistaa sirkatun pulssin kymmeniin jouleihin (2 kuviossa 1). Pulssi vahvistaa edelleen tehosterokotus OPCPA yhdeksi kilojoulepalkiksi ja jaettuna 12 identtiseen alavirtaan (4 kuvassa 1). Lopullisessa 12 OPCPA: ssa jokainen 12 sirotettua kevyestä pulssista vahvistetaan kilojoule -tasolle (5 kuvassa 1) ja pakataan sitten 12 puristusmatkalla (GC 6 kuvassa 1). Akuso-optista ohjelmoitavaa dispersiosuodatinta käytetään etupäässä tarkasti kontrolliryhmän nopeuden dispersio ja korkean luokan dispersio, jotta saadaan pienin mahdollinen pulssin leveys. Pulssispektrin muoto on lähes 12. kertaluvun Supergauss, ja spektrikaistanleveys 1%: n maksimiarvosta on 150 nm, mikä vastaa Fourier-muunnosten rajan pulssin leveyttä 17 FS. Kun otetaan huomioon epätäydellisen dispersion kompensointi ja epälineaarisen vaihekompensaation vaikeus parametrisissa vahvistimissa, odotettu pulssin leveys on 20 FS.
Xcels-laserilla käytetään kahta 8-kanavaista UFL-2M-neodyymilasilasertaajuuden kaksinkertaistamismoduulia (3 kuvassa 1), joista 13 kanavaa käytetään Booster OPCPA: n ja 12 lopullisen OPCPA: n pumppaamiseen. Jäljellä olevaa kolmea kanavaa käytetään riippumattomana nanosekunnin kilojouleina pulssinalaserlähteetMuita kokeita. Pumpatun pulssin säteilytyksen voimakkuus on rajoitettu DKDP -kiteiden optiseen hajoamiskynnykseen asetetaan 1,5 GW/cm2 jokaiselle kanavalle ja kesto on 3,5 ns.
Jokainen Xcels -laserkanava tuottaa pulsseja, joiden teho on 50 pw. Yhteensä 12 kanavaa tuottaa kokonaislähtötehoa 600 pw. Pääkohdekammiossa kunkin kanavan suurin tarkennusintensiteetti ihanteellisissa olosuhteissa on 0,44 × 1025 W/cm2 olettaen, että F/1 -tarkennuselementtejä käytetään keskittymiseen. Jos kunkin kanavan pulssi on edelleen pakattu 2,6 FS: iin jälkikompressiotekniikalla, vastaava lähtöpulssiteho nostetaan arvoon 230 pw, mikä vastaa valon voimakkuutta 2,0 × 1025 W/cm2.
Suuremman valon voimakkuuden saavuttamiseksi, 600 PW: n lähdössä, 12 kanavan valopulssit keskittyvät käänteisen dipolisäteilyn geometriaan, kuten kuviossa 2 esitetään. Kun kunkin kanavan pulssivaihe ei ole lukittu, tarkennusvoimakkuus voi saavuttaa 9 × 1025 W/cm2. Jos jokainen pulssivaihe lukitaan ja synkronoidaan, johdonmukainen tuloksena oleva valon voimakkuus nostetaan arvoon 3,2 × 1026 W/cm2. Pääkohdihuoneen lisäksi Xcels -projekti sisältää jopa 10 käyttäjälaboratoriota, jokainen saa yhden tai useamman palkin kokeisiin. Tätä erittäin vahvaa valokenttää käyttämällä Xcels -projekti aikoo suorittaa kokeita neljässä luokassa: kvanttielektrodynamiikkaprosessit intensiivisillä laserkenttillä; Hiukkasten tuotanto ja kiihtyminen; Sekundaarisen sähkömagneettisen säteilyn muodostuminen; Laboratorioastrofysiikka, korkean energian tiheysprosessit ja diagnostinen tutkimus.
KUVA. 2 Keskittyvä geometria pääkohdekammiossa. Selvyyden vuoksi palkin 6 parabolinen peili on asetettu läpinäkyväksi, ja tulo- ja lähtöpalkit osoittavat vain kaksi kanavaa 1 ja 7
Kuvio 3 esittää koekäyttöisen rakennuksen Xcels -laserjärjestelmän kunkin funktionaalisen alueen spatiaalisen asettelun. Kellarissa sijaitsevat sähkö, tyhjiöpumput, vedenkäsittely, puhdistus ja ilmastointi. Rakennusalue on yli 24 000 m2. Kokonaisvirrankulutus on noin 7,5 MW. Kokeellinen rakennus koostuu sisäisestä ontosta kokonaiskehyksestä ja ulkoisesta osasta, joista kukin on rakennettu kahteen irrotettuun perusteeseen. Tärkein eristettyyn pohjaan asennetaan tyhjiö- ja muut tärinää aiheuttavat järjestelmät siten, että laserjärjestelmään siirretyn häiriön amplitudi säätiön ja tuen kautta vähenee alle 10-10 G2/Hz taajuusalueella 1-200 Hz. Lisäksi laserhalliin on asetettu geodeettisten vertailumerkkien verkko maan ja laitteiden ajautumisen systemaattisesti.
Xcels -projektin tavoitteena on luoda suuri tieteellinen tutkimuslaitos, joka perustuu erittäin korkeisiin huipputehoisiin lasereihin. Yksi Xcels-laserjärjestelmän kanava voi tarjota keskittyneen valon voimakkuuden useita kertoja enemmän kuin 1024 W/cm2, joka voidaan ylittää edelleen 1025 W/CM2: lla kompression jälkeisen tekniikan avulla. Dipolikeskettämällä pulsseja laserjärjestelmän 12 kanavasta, intensiteetti, joka on lähellä 1026 W/cm2, voidaan saavuttaa jopa ilman jälkikompression ja vaiheen lukitusta. Jos kanavien välinen vaihesynkronointi lukitaan, valon voimakkuus on useita kertoja korkeampi. Tulevaisuuden Xcels-laitos pystyy suorittamaan kokeita, joissa on erittäin korkea intensiteetti, kompleksinen valokentän jakautumiset ja diagnosoida vuorovaikutukset monikanavaisilla lasersäteillä ja toissijaisella säteellä. Tällä on ainutlaatuinen rooli erittäin vahvan sähkömagneettisen kentän kokeellisen fysiikan alalla.
Viestin aika: Maaliskuu 26-2024