Baru-baru ini, Institut Fizik Gunaan Akademi Sains Rusia memperkenalkan Pusat Kajian Cahaya Ekstrem eXawatt (XCELS), sebuah program penyelidikan untuk peranti saintifik besar berdasarkanlaser berkuasa tinggiProjek ini merangkumi pembinaan sebuahlaser kuasa tinggiberdasarkan teknologi penguatan denyut kicauan parametrik optik dalam kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, formula kimia KD2PO4) apertur besar, dengan jumlah output yang dijangkakan sebanyak 600 denyutan kuasa puncak PW. Kerja ini memberikan butiran penting dan penemuan penyelidikan tentang projek XCELS dan sistem lasernya, menerangkan aplikasi dan potensi impak yang berkaitan dengan interaksi medan cahaya ultra kuat.
Program XCELS telah dicadangkan pada tahun 2011 dengan matlamat awal untuk mencapai kuasa puncaklaseroutput denyut sebanyak 200 PW, yang kini dinaik taraf kepada 600 PW. Iasistem laserbergantung kepada tiga teknologi utama:
(1) Teknologi Penguatan Nadi Berkicau Parametrik Optik (OPCPA) digunakan sebagai ganti teknologi Penguatan Nadi Berkicau tradisional (Penguatan Nadi Berkicau, OPCPA);
(2) Menggunakan DKDP sebagai medium gandaan, pemadanan fasa jalur lebar ultra direalisasikan berhampiran panjang gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium apertur besar dengan tenaga denyut ribuan joule digunakan untuk mengepam penguat parametrik.
Padanan fasa jalur lebar ultra banyak terdapat dalam banyak kristal dan digunakan dalam laser femtosaat OPCPA. Kristal DKDP digunakan kerana ia merupakan satu-satunya bahan yang terdapat dalam amalan yang boleh ditumbuhkan sehingga berpuluh-puluh sentimeter apertur dan pada masa yang sama mempunyai kualiti optik yang boleh diterima untuk menyokong penguatan kuasa berbilang PW.laser. Didapati bahawa apabila kristal DKDP dipam oleh cahaya frekuensi berganda laser kaca ND, jika panjang gelombang pembawa denyut yang diperkuat ialah 910 nm, tiga istilah pertama pengembangan Taylor bagi ketidakpadanan vektor gelombang ialah 0.
Rajah 1 ialah susun atur skematik sistem laser XCELS. Bahagian hadapan menghasilkan denyutan femtosaat berkicau dengan panjang gelombang pusat 910 nm (1.3 dalam Rajah 1) dan denyutan nanosaat 1054 nm yang disuntik ke dalam laser yang dipam OPCPA (1.1 dan 1.2 dalam Rajah 1). Bahagian hadapan juga memastikan penyegerakan denyutan ini serta parameter tenaga dan spatiotemporal yang diperlukan. OPCPA perantaraan yang beroperasi pada kadar pengulangan yang lebih tinggi (1 Hz) menguatkan denyutan berkicau kepada puluhan joule (2 dalam Rajah 1). Denyutan ini dikuatkan lagi oleh Booster OPCPA menjadi satu pancaran kilojoule dan dibahagikan kepada 12 sub-pancaran yang sama (4 dalam Rajah 1). Dalam 12 OPCPA terakhir, setiap 12 denyutan cahaya berkicau dikuatkan kepada tahap kilojoule (5 dalam Rajah 1) dan kemudian dimampatkan oleh 12 parutan mampatan (GC 6 dalam Rajah 1). Penapis serakan boleh atur cara akusto-optik digunakan di bahagian hadapan untuk mengawal serakan halaju kumpulan dan serakan tertib tinggi dengan tepat, bagi mendapatkan lebar denyut terkecil yang mungkin. Spektrum denyut mempunyai bentuk hampir supergauss tertib ke-12, dan lebar jalur spektrum pada 1% daripada nilai maksimum ialah 150 nm, sepadan dengan lebar denyut had transformasi Fourier sebanyak 17 fs. Memandangkan pampasan serakan yang tidak lengkap dan kesukaran pampasan fasa tak linear dalam penguat parametrik, lebar denyut yang dijangkakan ialah 20 fs.
Laser XCELS akan menggunakan dua modul penggandaan frekuensi laser kaca neodymium UFL-2M 8 saluran (3 dalam Rajah 1), yang mana 13 saluran akan digunakan untuk mengepam Booster OPCPA dan 12 OPCPA akhir. Tiga saluran yang selebihnya akan digunakan sebagai nanosaat bebas yang berdenyut kilojoulesumber laseruntuk eksperimen lain. Dihadkan oleh ambang kerosakan optik kristal DKDP, keamatan penyinaran denyut yang dipam ditetapkan kepada 1.5 GW/cm2 untuk setiap saluran dan tempohnya ialah 3.5 ns.
Setiap saluran laser XCELS menghasilkan denyutan dengan kuasa 50 PW. Sebanyak 12 saluran memberikan jumlah kuasa output sebanyak 600 PW. Dalam ruang sasaran utama, keamatan pemfokusan maksimum setiap saluran di bawah keadaan ideal ialah 0.44×1025 W/cm2, dengan mengandaikan bahawa elemen pemfokusan F/1 digunakan untuk pemfokusan. Jika denyutan setiap saluran dimampatkan lagi kepada 2.6 fs melalui teknik pasca-pemampatan, kuasa denyutan output yang sepadan akan ditingkatkan kepada 230 PW, sepadan dengan keamatan cahaya 2.0×1025 W/cm2.
Untuk mencapai keamatan cahaya yang lebih tinggi, pada output 600 PW, denyutan cahaya dalam 12 saluran akan difokuskan dalam geometri sinaran dipol songsang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Apabila fasa denyutan dalam setiap saluran tidak dikunci, keamatan fokus boleh mencapai 9×1025 W/cm2. Jika setiap fasa denyutan dikunci dan disegerakkan, keamatan cahaya yang terhasil secara koheren akan ditingkatkan kepada 3.2×1026 W/cm2. Selain bilik sasaran utama, projek XCELS merangkumi sehingga 10 makmal pengguna, setiap satunya menerima satu atau lebih pancaran untuk eksperimen. Dengan menggunakan medan cahaya yang sangat kuat ini, projek XCELS merancang untuk menjalankan eksperimen dalam empat kategori: proses elektrodinamik kuantum dalam medan laser yang kuat; Penghasilan dan pecutan zarah; Penjanaan sinaran elektromagnet sekunder; Astrofizik makmal, proses ketumpatan tenaga tinggi dan penyelidikan diagnostik.
RAJAH 2 Geometri pemfokusan dalam ruang sasaran utama. Untuk kejelasan, cermin parabola pancaran 6 ditetapkan kepada lutsinar, dan pancaran input dan output hanya menunjukkan dua saluran 1 dan 7
Rajah 3 menunjukkan susun atur ruang bagi setiap kawasan berfungsi sistem laser XCELS di bangunan eksperimen. Elektrik, pam vakum, rawatan air, penulenan dan penyaman udara terletak di ruangan bawah tanah. Jumlah kawasan pembinaan adalah lebih daripada 24,000 m2. Jumlah penggunaan kuasa adalah kira-kira 7.5 MW. Bangunan eksperimen terdiri daripada rangka keseluruhan berongga dalaman dan bahagian luaran, setiap satu dibina di atas dua asas yang dipisahkan. Sistem vakum dan sistem penggerak getaran lain dipasang pada asas yang diasingkan getaran, supaya amplitud gangguan yang dihantar ke sistem laser melalui asas dan sokongan dikurangkan kepada kurang daripada 10-10 g2/Hz dalam julat frekuensi 1-200 Hz. Di samping itu, rangkaian penanda rujukan geodesik disediakan di dewan laser untuk memantau hanyutan tanah dan peralatan secara sistematik.
Projek XCELS bertujuan untuk mewujudkan kemudahan penyelidikan saintifik yang besar berdasarkan laser kuasa puncak yang sangat tinggi. Satu saluran sistem laser XCELS boleh memberikan keamatan cahaya terfokus beberapa kali lebih tinggi daripada 1024 W/cm2, yang boleh diatasi lagi sebanyak 1025 W/cm2 dengan teknologi pasca-mampatan. Dengan denyutan pemfokusan dipol daripada 12 saluran dalam sistem laser, keamatan yang hampir dengan 1026 W/cm2 boleh dicapai walaupun tanpa pasca-mampatan dan penguncian fasa. Jika penyegerakan fasa antara saluran dikunci, keamatan cahaya akan menjadi beberapa kali lebih tinggi. Dengan menggunakan keamatan denyutan yang memecahkan rekod ini dan susun atur pancaran berbilang saluran, kemudahan XCELS masa hadapan akan dapat menjalankan eksperimen dengan keamatan yang sangat tinggi, taburan medan cahaya yang kompleks, dan mendiagnosis interaksi menggunakan pancaran laser berbilang saluran dan sinaran sekunder. Ini akan memainkan peranan unik dalam bidang fizik eksperimen medan elektromagnet super kuat.
Masa siaran: 26 Mac 2024