Baru-baru ini, Institut Fizik Gunaan Akademi Sains Rusia memperkenalkan eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), sebuah program penyelidikan untuk peranti saintifik besar berdasarkanlaser kuasa tinggi. Projek ini termasuk pembinaan sebuah verylaser kuasa tinggiberdasarkan teknologi penguatan nadi berkicau parametrik optik dalam kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, formula kimia KD2PO4) apertur besar, dengan jumlah output yang dijangkakan sebanyak 600 PW denyut kuasa puncak. Kerja ini menyediakan butiran penting dan penemuan penyelidikan tentang projek XCELS dan sistem lasernya, menerangkan aplikasi dan potensi kesan yang berkaitan dengan interaksi medan cahaya ultra-kuat.
Program XCELS telah dicadangkan pada tahun 2011 dengan matlamat awal untuk mencapai kuasa puncaklaseroutput nadi sebanyak 200 PW, yang kini dinaik taraf kepada 600 PW. Ianyasistem laserbergantung pada tiga teknologi utama:
(1) Teknologi Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) digunakan dan bukannya Chirped Pulse Amplification tradisional (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) Menggunakan DKDP sebagai medium keuntungan, pemadanan fasa jalur lebar ultra direalisasikan berhampiran panjang gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium apertur besar dengan tenaga nadi beribu-ribu joule digunakan untuk mengepam penguat parametrik.
Padanan fasa jalur lebar ultra banyak ditemui dalam banyak kristal dan digunakan dalam laser femtosaat OPCPA. Kristal DKDP digunakan kerana ia adalah satu-satunya bahan yang terdapat dalam amalan yang boleh ditanam hingga berpuluh-puluh sentimeter bukaan dan pada masa yang sama mempunyai kualiti optik yang boleh diterima untuk menyokong penguatan kuasa berbilang PWlaser. Didapati bahawa apabila kristal DKDP dipam oleh cahaya frekuensi berganda laser kaca ND, jika panjang gelombang pembawa bagi nadi yang diperkuatkan ialah 910 nm, tiga sebutan 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 pam 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 nadi berkicau kepada berpuluh-puluh joule (2 dalam Rajah 1). Nadi dikuatkan lagi oleh Booster OPCPA ke dalam satu rasuk kilojoule dan dibahagikan kepada 12 sub-rasuk yang sama (4 dalam Rajah 1). Dalam 12 OPCPA terakhir, setiap 12 denyutan cahaya berkicau dikuatkan kepada paras kilojoule (5 dalam Rajah 1) dan kemudian dimampatkan oleh 12 jeriji mampatan (GC sebanyak 6 dalam Rajah 1). Penapis penyebaran boleh atur cara akustooptik digunakan di bahagian hadapan untuk mengawal serakan halaju kumpulan dan serakan tertib tinggi dengan tepat, supaya memperoleh lebar nadi terkecil yang mungkin. Spektrum nadi 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 nadi yang dijangkakan ialah 20 fs.
Laser XCELS akan menggunakan dua modul penggandaan frekuensi laser kaca neodymium 8 saluran UFL-2M (3 dalam Rajah 1), yang mana 13 saluran akan digunakan untuk mengepam OPCPA Penggalak dan 12 OPCPA akhir. Baki tiga saluran akan digunakan sebagai kilojoule nanosaat bebas berdenyutsumber laseruntuk eksperimen lain. Dihadkan oleh ambang pecahan optik bagi kristal DKDP, keamatan penyinaran nadi 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 menyediakan jumlah kuasa keluaran sebanyak 600 PW. Dalam ruang sasaran utama, keamatan pemfokusan maksimum bagi setiap saluran dalam keadaan ideal ialah 0.44×1025 W/cm2, dengan mengandaikan bahawa elemen pemfokusan F/1 digunakan untuk memfokus. Jika nadi setiap saluran dimampatkan lagi kepada 2.6 fs dengan teknik pasca mampatan, kuasa nadi keluaran yang sepadan akan ditingkatkan kepada 230 PW, sepadan dengan keamatan cahaya 2.0×1025 W/cm2.
Untuk mencapai keamatan cahaya yang lebih besar, pada output 600 PW, denyutan cahaya dalam 12 saluran akan difokuskan dalam geometri sinaran dipol songsang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Apabila fasa nadi dalam setiap saluran tidak dikunci, keamatan fokus boleh mencapai 9×1025 W/cm2. Jika setiap fasa nadi dikunci dan disegerakkan, keamatan cahaya paduan yang koheren akan ditingkatkan kepada 3.2×1026 W/cm2. Sebagai tambahan kepada bilik sasaran utama, projek XCELS merangkumi sehingga 10 makmal pengguna, setiap satu menerima satu atau lebih rasuk untuk eksperimen. Menggunakan medan cahaya yang sangat kuat ini, projek XCELS merancang untuk menjalankan eksperimen dalam empat kategori: proses elektrodinamik kuantum dalam medan laser sengit; Pengeluaran dan pecutan zarah; Penjanaan sinaran elektromagnet sekunder; Astrofizik makmal, proses ketumpatan tenaga tinggi dan penyelidikan diagnostik.
GAMBAR. 2 Memfokuskan geometri dalam ruang sasaran utama. Untuk kejelasan, cermin parabola rasuk 6 ditetapkan kepada lutsinar, dan rasuk input dan output hanya menunjukkan dua saluran 1 dan 7
Rajah 3 menunjukkan susun atur spatial setiap kawasan berfungsi sistem laser XCELS dalam bangunan eksperimen. Elektrik, pam vakum, rawatan air, pembersihan dan penghawa dingin 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 bingkai keseluruhan berongga dalaman dan bahagian luar, setiap satu dibina di atas dua asas yang dipisahkan. Vakum dan sistem penggerak getaran lain dipasang pada asas terpencil 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 secara sistematik hanyutan tanah dan peralatan.
Projek XCELS bertujuan untuk mewujudkan kemudahan penyelidikan saintifik yang besar berdasarkan laser kuasa puncak yang sangat tinggi. Satu saluran sistem laser XCELS mungkin memberikan keamatan cahaya terfokus beberapa kali lebih tinggi daripada 1024 W/cm2, yang boleh melebihi 1025 W/cm2 dengan teknologi pasca mampatan. Dengan denyutan pemfokusan dipol daripada 12 saluran dalam sistem laser, keamatan hampir 1026 W/cm2 boleh dicapai walaupun tanpa penguncian pasca mampatan dan fasa. Jika penyegerakan fasa antara saluran dikunci, keamatan cahaya akan menjadi beberapa kali lebih tinggi. Menggunakan keamatan nadi yang memecahkan rekod ini dan susun atur pancaran berbilang saluran, kemudahan XCELS masa hadapan akan dapat melakukan eksperimen dengan keamatan yang sangat tinggi, pengedaran 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: Mac-26-2024