A közelmúltban az Orosz Tudományos Akadémia Alkalmazott Fizikai Intézete bemutatta az eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) nevű nagy tudományos eszközök kutatási programját, amely rendkívüli alapokon nyugszik.nagy teljesítményű lézerek. A projekt egy nagyonnagy teljesítményű lézeroptikai parametrikus csipogós impulzuserősítési technológián alapul nagy apertúrájú kálium-dideutérium-foszfát (DKDP, kémiai képlet KD2PO4) kristályokban, 600 PW csúcsteljesítmény-impulzus várható összteljesítményével. Ez a munka fontos részleteket és kutatási eredményeket közöl az XCELS projektről és annak lézerrendszereiről, leírva az ultraerős fénymező kölcsönhatásokkal kapcsolatos alkalmazásokat és lehetséges hatásokat.
Az XCELS programot 2011-ben javasolták azzal a kezdeti céllal, hogy csúcsteljesítményt érjenek ellézer200 PW impulzusteljesítmény, amely jelenleg 600 PW-ra van bővítve. Azlézeres rendszerhárom kulcsfontosságú technológiára támaszkodik:
(1) Az optikai paraméteres csipogó impulzuserősítés (OPCPA) technológiát alkalmazzák a hagyományos csipogó impulzuserősítés (OPCPA) helyett. CPA) technológia;
(2) DKDP-t használva erősítési közegként, az ultraszéles sávú fázisillesztés közel 910 nm hullámhosszon valósul meg;
(3) Nagy apertúrájú, több ezer joule impulzusenergiájú neodímium üveglézert használnak egy parametrikus erősítő pumpálására.
Az ultraszéles sávú fázisillesztés széles körben megtalálható számos kristályban, és az OPCPA femtoszekundumos lézerekben használják. A DKDP kristályokat azért használják, mert ez az egyetlen olyan anyag, amely a gyakorlatban több tíz centiméteres rekesznyílásig növeszthető, ugyanakkor elfogadható optikai tulajdonságokkal rendelkeznek a több PW teljesítmény erősítésére.lézerek. Azt találtuk, hogy amikor a DKDP kristályt az ND üveglézer kettős frekvenciájú fénye pumpálja, és ha az erősített impulzus vivőhullámhossza 910 nm, akkor a hullámvektor eltérésének Taylor-kiterjesztésének első három tagja 0.
Az 1. ábra az XCELS lézerrendszer sematikus elrendezése. Az elülső rész 910 nm (1.3. az 1. ábrán) központi hullámhosszú, csipogó femtoszekundumos impulzusokat generált, és 1054 nm nanoszekundumos impulzusokat fecskendeztek be az OPCPA pumpás lézerbe (1.1 és 1.2 az 1. ábrán). Az előlap biztosítja ezen impulzusok szinkronizálását, valamint a szükséges energia- és téridő-paramétereket. A magasabb ismétlési frekvencián (1 Hz) működő köztes OPCPA több tíz joule-ra erősíti fel a csiripelt impulzust (2 az 1. ábrán). Az impulzust a Booster OPCPA tovább erősíti egyetlen kilojoule nyalábra, és 12 azonos részsugárra osztja (4 az 1. ábrán). Az utolsó 12 OPCPA-ban a 12 csipogó fényimpulzus mindegyikét kilojoule szintre erősítik (5 az 1. ábrán), majd 12 kompressziós ráccsal összenyomják (6-os GC az 1. ábrán). Az akuszto-optikai programozható diszperziós szűrőt az előlapon használják a csoportsebesség diszperzió és a nagyfokú diszperzió pontos szabályozására, hogy a lehető legkisebb impulzusszélességet érjük el. Az impulzusspektrum közel 12. rendű szupergauss alakú, és a spektrális sávszélesség a maximális érték 1%-ánál 150 nm, ami megfelel a 17 fs-os Fourier-transzformációs határimpulzusszélességnek. Figyelembe véve a nem teljes diszperziókompenzációt és a paraméteres erősítők nemlineáris fáziskompenzációjának nehézségeit, a várható impulzusszélesség 20 fs.
Az XCELS lézer két 8 csatornás UFL-2M neodímium üveg lézer-frekvencia-duplázó modult használ (3 az 1. ábrán), amelyek közül 13 csatornát használnak a Booster OPCPA és 12 végső OPCPA szivattyúzására. A maradék három csatornát független nanoszekundumos kilojoule-impulzusként fogják használnilézeres forrásokegyéb kísérletekhez. A DKDP kristályok optikai áttörési küszöbe által korlátozva, a pumpált impulzus besugárzási intenzitása csatornánként 1,5 GW/cm2, időtartama pedig 3,5 ns.
Az XCELS lézer minden csatornája 50 PW teljesítményű impulzusokat állít elő. Összesen 12 csatorna 600 PW teljes kimeneti teljesítményt biztosít. A fő célkamrában az egyes csatornák maximális fókuszintenzitása ideális körülmények között 0,44×1025 W/cm2, feltételezve, hogy F/1 fókuszáló elemeket használnak a fókuszáláshoz. Ha az egyes csatornák impulzusát utótömörítéssel tovább sűrítik 2,6 fs-ra, akkor a megfelelő kimeneti impulzusteljesítmény 230 PW-ra nő, ami a 2,0 × 1025 W/cm2 fényintenzitásnak felel meg.
A nagyobb fényintenzitás elérése érdekében 600 PW kimeneten a 12 csatorna fényimpulzusai az inverz dipólus sugárzás geometriájában fókuszálódnak, ahogy az a 2. ábrán látható. Ha az impulzusfázis az egyes csatornákban nincs rögzítve, a fókusz intenzitása eléri a 9×1025 W/cm2-t. Ha minden impulzusfázis zárolva van és szinkronizálva van, a koherens eredő fényintenzitás 3,2 × 1026 W/cm2-re nő. A fő célszobán kívül az XCELS projekt legfeljebb 10 felhasználói laboratóriumot foglal magában, amelyek mindegyike egy vagy több sugarat kap a kísérletekhez. Ennek a rendkívül erős fénymezőnek a felhasználásával az XCELS projekt négy kategóriában tervez kísérleteket végezni: kvantumelektrodinamikai folyamatok intenzív lézermezőben; A részecskék előállítása és gyorsítása; Másodlagos elektromágneses sugárzás előállítása; Laboratóriumi asztrofizika, nagy energiasűrűségű folyamatok és diagnosztikai kutatások.
FÜGE. 2 Fókuszálási geometria a fő célkamrában. Az egyértelműség kedvéért a 6. sugár parabolatükre átlátszóra van állítva, és a bemeneti és kimeneti nyaláb csak két 1. és 7. csatornát mutat.
A 3. ábra az XCELS lézerrendszer egyes funkcionális területeinek térbeli elrendezését mutatja a kísérleti épületben. Az alagsorban villany, vákuumszivattyúk, vízkezelés, tisztítás és légkondicionálás található. A teljes építési terület több mint 24.000 m2. A teljes áramfelvétel körülbelül 7,5 MW. A kísérleti épület egy belső üreges keretből és egy külső részből áll, amelyek mindegyike két szétcsatolt alapra épült. A vákuumos és egyéb rezgéskeltő rendszereket a rezgésszigetelt alapzatra kell felszerelni úgy, hogy a lézerrendszerre az alapozáson és a támaszon keresztül továbbított zavar amplitúdója 10-10 g2/Hz alá csökkenjen a frekvenciatartományban. 1-200 Hz. Ezenkívül a lézercsarnokban geodéziai referenciajelzők hálózatát hozták létre a talaj és a berendezések elsodródásának szisztematikus monitorozására.
Az XCELS projekt célja egy nagy tudományos kutatóintézet létrehozása, amely rendkívül nagy csúcsteljesítményű lézereken alapul. Az XCELS lézerrendszer egyik csatornája 1024 W/cm2-nél többszörösen nagyobb fókuszált fényintenzitást biztosíthat, amit utókompressziós technológiával 1025 W/cm2-rel tovább lehet haladni. A lézerrendszerben 12 csatornából érkező dipólusfókuszáló impulzusokkal 1026 W/cm2 közeli intenzitás érhető el utósűrítés és fáziszárás nélkül is. Ha a csatornák közötti fázisszinkronizálás le van zárva, a fény intenzitása többszöröse lesz. Ezekkel a rekordméretű impulzusintenzitásokkal és a többcsatornás sugárelrendezéssel a leendő XCELS létesítmény rendkívül nagy intenzitású, összetett fénytéreloszlású kísérletek elvégzésére, valamint kölcsönhatások diagnosztizálására lesz képes többcsatornás lézersugarak és másodlagos sugárzás segítségével. Ez egyedülálló szerepet fog játszani a szupererős elektromágneses tér kísérleti fizika területén.
Feladás időpontja: 2024. március 26