Az Orosz Tudományos Akadémia Alkalmazott Fizikai Intézete nemrégiben bemutatta az eXawatt Extrém Fényvizsgálati Központot (XCELS), egy rendkívül nagyméretű tudományos eszközök kutatási programját, amely...nagy teljesítményű lézerekA projekt magában foglalja egy nagyonnagy teljesítményű lézernagy apertúrájú kálium-dideutérium-foszfát (DKDP, kémiai képlete KD2PO4) kristályokban optikai parametrikus csiripelt impulzuserősítési technológián alapul, várhatóan 600 PW csúcsteljesítményű impulzusokkal. Ez a munka fontos részleteket és kutatási eredményeket tartalmaz az XCELS projektről és lézerrendszereiről, ismertetve az alkalmazásokat és az ultraerős fénytér kölcsönhatásokkal kapcsolatos lehetséges hatásokat.
Az XCELS programot 2011-ben javasolták azzal a kezdeti céllal, hogy elérjék a csúcsteljesítményt.lézer200 PW impulzusteljesítmény, amelyet jelenleg 600 PW-ra bővítettek.lézerrendszerhárom kulcsfontosságú technológiára támaszkodik:
(1) Az optikai parametrikus csiripelt impulzuserősítés (OPCPA) technológiáját a hagyományos csiripelt impulzuserősítés (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) technológia helyett alkalmazzák.
(2) A DKDP erősítőközegként való használatával ultraszélessávú fázisillesztés valósítható meg közel 910 nm hullámhosszon;
(3) Egy nagy apertúrájú, több ezer joule impulzusenergiájú neodímium üveglézert használnak egy parametrikus erősítő pumpálására.
Az ultraszélessávú fázisillesztés széles körben elterjedt számos kristályban, és az OPCPA femtoszekundumos lézerekben is alkalmazzák. A DKDP kristályokat azért alkalmazzák, mert ez az egyetlen a gyakorlatban ismert anyag, amely több tíz centiméteres apertúrára növelhető, és ugyanakkor elfogadható optikai tulajdonságokkal rendelkezik a többszörös PW teljesítmény erősítéséhez.lézerekAzt találták, hogy amikor a DKDP kristályt az ND üveglézer kettős frekvenciájú fénye pumpálja, és az erősített impulzus vivőhullámhossza 910 nm, a hullámvektor-eltérés Taylor-kiterjesztésének első három tagja 0.
Az 1. ábra az XCELS lézerrendszer vázlatos elrendezése. Az elülső rész 910 nm központi hullámhosszúságú (1,3 az 1. ábrán) csiripelt femtoszekundumos impulzusokat és 1054 nm-es nanoszekundumos impulzusokat generált az OPCPA pumpált lézerbe (1,1 és 1,2 az 1. ábrán). Az elülső rész biztosítja ezen impulzusok szinkronizálását, valamint a szükséges energia- és téridőbeli paramétereket. Egy magasabb ismétlési frekvencián (1 Hz) működő közbenső OPCPA a csiripelt impulzust több tíz joule-ra erősíti (2 az 1. ábrán). Az impulzust a Booster OPCPA tovább erősíti egyetlen kilojoule-nyalábbal, majd 12 azonos résznyalábra osztja (4 az 1. ábrán). Az utolsó 12 OPCPA-ban mind a 12 csiripelt fényimpulzust kilojoule-szintre erősíti (5 az 1. ábrán), majd 12 kompressziós ráccsal összenyomja (GC-je 6 az 1. ábrán). Az akusztooptikai programozható diszperziós szűrőt az előlapon használják a csoportsebesség-diszperzió és a magas rendű diszperzió pontos szabályozására, a lehető legkisebb impulzusszélesség elérése érdekében. Az impulzusspektrum közel 12. rendű szupergauss alakú, a spektrális sávszélesség a maximális érték 1%-ánál 150 nm, ami a Fourier-transzformáció 17 fs-os határimpulzusszélességének felel meg. Figyelembe véve a hiányos diszperziókompenzációt és a nemlineáris fáziskompenzáció nehézségeit a parametrikus erősítőkben, a várható impulzusszélesség 20 fs.
Az XCELS lézer két 8 csatornás UFL-2M neodímium üveglézer frekvenciakétváló modult fog használni (1. ábrán 3), amelyek közül 13 csatornát a Booster OPCPA, 12 pedig a végső OPCPA pumpálására használ. A fennmaradó három csatornát független nanoszekundumos kilojoule impulzusként fogják használni.lézerforrásokmás kísérletekhez. A DKDP kristályok optikai lebomlási küszöbértéke által korlátozva a pumpált impulzus besugárzási intenzitását csatornánként 1,5 GW/cm2-re, az időtartamát pedig 3,5 ns-ra állítják be.
Az XCELS lézer minden csatornája 50 PW teljesítményű impulzusokat állít elő. Összesen 12 csatorna biztosít 600 PW teljes kimenő teljesítményt. A fő célkamrában ideális körülmények között az egyes csatornák maximális fókuszálási intenzitása 0,44×10²⁶ W/cm², feltételezve, hogy F/1 fókuszáló elemeket használnak a fókuszáláshoz. Ha az egyes csatornák impulzusát utókompressziós technikával tovább 2,6 fs-ra sűrítik, a megfelelő kimenő impulzusteljesítmény 230 PW-ra nő, ami 2,0×10²⁶ W/cm² fényintenzitásnak felel meg.
A nagyobb fényintenzitás elérése érdekében 600 PW teljesítmény mellett a 12 csatornában lévő fényimpulzusokat az inverz dipólussugárzás geometriájában fókuszálják, ahogy a 2. ábra mutatja. Amikor az egyes csatornák impulzusfázisa nincs rögzítve, a fókuszintenzitás elérheti a 9×10²⁶ W/cm² értéket. Ha minden impulzusfázist rögzítenek és szinkronizálnak, a koherens eredő fényintenzitás 3,2×10²⁶ W/cm²-re nő. A fő célhelyiség mellett az XCELS projekt akár 10 felhasználói laboratóriumot is magában foglal, amelyek mindegyike egy vagy több nyalábot fogad kísérletekhez. Ezt a rendkívül erős fényteret felhasználva az XCELS projekt négy kategóriában tervez kísérleteket végezni: kvantum-elektrodinamikai folyamatok intenzív lézermezőkben; Részecskék előállítása és gyorsítása; Másodlagos elektromágneses sugárzás generálása; Laboratóriumi asztrofizika, nagy energiasűrűségű folyamatok és diagnosztikai kutatások.
2. ÁBRA Fókuszgeometria a fő célkamrában. Az áttekinthetőség kedvéért a 6-os nyaláb parabolatükre átlátszóra van állítva, és a bemeneti és kimeneti nyalábok csak két csatornát, az 1-es és a 7-es csatornát mutatják.
A 3. ábra az XCELS lézerrendszer egyes funkcionális területeinek térbeli elrendezését mutatja a kísérleti épületben. Az elektromos hálózat, a vákuumszivattyúk, a vízkezelés, a víztisztítás és a légkondicionáló az alagsorban található. A teljes építési terület meghaladja a 24 000 m2-t. A teljes energiafogyasztás körülbelül 7,5 MW. A kísérleti épület egy belső üreges vázszerkezetből és egy külső részből áll, amelyek mindegyike két leválasztott alapra épül. A vákuum- és egyéb rezgéskeltő rendszerek a rezgésszigetelt alapra vannak telepítve, így az alapon és a tartószerkezeten keresztül a lézerrendszerre továbbított zavar amplitúdója 10-10 g2/Hz alá csökken az 1-200 Hz frekvenciatartományban. Ezenkívül a lézercsarnokban geodéziai referenciajelek hálózatát is felállították a talaj és a berendezések elmozdulásának szisztematikus monitorozására.
Az XCELS projekt célja egy nagyméretű tudományos kutatólétesítmény létrehozása, amely rendkívül nagy csúcsteljesítményű lézereken alapul. Az XCELS lézerrendszer egyik csatornája fókuszált fényintenzitást biztosíthat, amely többszörösen meghaladhatja az 1024 W/cm2-t, ami utókompressziós technológiával akár 1025 W/cm2-rel is meghaladható. A lézerrendszer 12 csatornájából érkező impulzusok dipólusfókuszálásával közel 1026 W/cm2-es intenzitás érhető el utókompresszió és fázisrögzítés nélkül is. Ha a csatornák közötti fázisszinkronizációt rögzítik, a fényintenzitás többszöröse lesz. Ezen rekorddöntő impulzusintenzitások és a többcsatornás nyalábelrendezés felhasználásával a jövőbeli XCELS létesítmény képes lesz rendkívül nagy intenzitású, komplex fénytér-eloszlású kísérletek elvégzésére, valamint kölcsönhatások diagnosztizálására többcsatornás lézersugarak és másodlagos sugárzás segítségével. Ez egyedülálló szerepet fog játszani a szupererős elektromágneses tér kísérleti fizikájának területén.
Közzététel ideje: 2024. márc. 26.