לאחרונה הציג המכון לפיזיקה יישומית של האקדמיה הרוסית למדעים את מרכז Exawatt ללימוד אור קיצוני (XCELS), תוכנית מחקר למכשירים מדעיים גדולים המבוססים על קיצונילייזרי כוח גבוהיםו הפרויקט כולל בניית מאודלייזר כוח גבוהבהתבסס על טכנולוגיית הגברה של דופק מצמרר פרמטרי אופטי בגבישים גדולים של פוספט אשלגן דידאריום (DKDP, פורמולה כימית KD2PO4), עם תפוקה כוללת צפויה של 600 פעימות כוח שיא PW. עבודה זו מספקת פרטים חשובים וממצאי מחקר אודות פרויקט XCels ומערכות הלייזר שלה, המתארת יישומים והשפעות פוטנציאליות הקשורות לאינטראקציות שדה אור במיוחד.
תוכנית XCels הוצעה בשנת 2011 עם המטרה הראשונית להשיג כוח שיאלייזרתפוקת הדופק של 200 PW, המשודרגת כיום ל- 600 PW. שֶׁלָהמערכת לייזרמסתמך על שלוש טכנולוגיות עיקריות:
(1) משתמשים בטכנולוגיית הגברת דופק מצייצת פרמטרית אופטית (OPCPA) במקום הגברה מסורתית של דופק מצויר (הגברת הדופק המצויר, OPCPA). רו"ח) טכנולוגיה;
(2) השימוש ב- DKDP כמדיום רווח, התאמת שלב רחב רחב אולטרה מתממשת בסמוך לאורך גל 910 ננומטר;
(3) לייזר זכוכית ניאודימיום צמצם גדול עם אנרגיית דופק של אלפי ג'ול משמש לשאיבת מגבר פרמטרי.
התאמת שלב רחב-אולטרה פס נמצאת נרחבת בגבישים רבים ומשמשת בלייזרים של OPCPA femtosecond. גבישי DKDP משמשים מכיוון שהם החומר היחיד שנמצא בפועל שניתן לגדל לעשרות סנטימטרים של צמצם ובו בזמן יש איכויות אופטיות מקובלות לתמיכה בהגברה של כוח רב-PWלייזריםו נמצא כי כאשר גביש ה- DKDP נשאב על ידי אור התדר הכפול של לייזר הזכוכית ND, אם אורך הגל של המנשא של הדופק המוגבר הוא 910 ננומטר, שלושת המונחים הראשונים של התרחבות טיילור של אי התאמת וקטור הגל הם 0.
איור 1 הוא פריסה סכמטית של מערכת לייזר Xcels. הקצה הקדמי יצר פולסים צמצניים של Femtosecond עם אורך גל מרכזי של 910 ננומטר (1.3 באיור 1) ו 1054 ננומטר פולסים ננו -שניות שהוזרקו ללייזר הנשאב OPCPA (1.1 ו- 1.2 באיור 1). הקצה הקדמי מבטיח גם סנכרון של פולסים אלה כמו גם את האנרגיה הנדרשת והפרמטרים המרחביים. OPCPA ביניים הפועל בשיעור חזרה גבוה יותר (1 הרץ) מגביר את הדופק המצויר לעשרות ג'ול (2 באיור 1). הדופק מוגבר עוד יותר על ידי המאיץ OPCPA לקרן קילוג'ול יחידה ומחולק ל 12 קורות משנה זהות (4 באיור 1). ב- 12 OPCPA הסופי, כל אחד מ -12 פולסי האור המצוירים מוגבר לרמת קילוג'ול (5 באיור 1) ואז נדחס על ידי 12 סורגי דחיסה (GC של 6 באיור 1). מסנן הפיזור הניתן לתכנות Acousto-Optic משמש בקצה הקדמי לפיזור מהירות בקבוצת הביקורת במדויק ופיזור סדר גבוה, כדי להשיג את רוחב הדופק הקטן ביותר האפשרי. לספקטרום הדופק יש צורה של כמעט סופרגאוס מסדר כמעט 12, ורוחב הפס הספקטרלי ב -1% מהערך המרבי הוא 150 ננומטר, המתאים לרוחב הדופק של הגבלת הטרנספורמציה של פורייה של 17 FS. בהתחשב בפיצוי הפיזור הלא שלם והקושי של פיצוי פאזה לא לינארי במגברים פרמטריים, רוחב הדופק הצפוי הוא 20 fs.
לייזר ה- XCels ישתמש בשני מודולי הכפלה של תדר לייזר ניאודימיום של 8 ערוצים UFL-2M (3 באיור 1), מתוכם 13 תעלות ישמשו לשאיבת ה- OPCPA של Booster ו- 12 OPCPA סופי. שלושת הערוצים הנותרים ישמשו כקילוג'ול עצמאי ננו -שניות עצמאיותמקורות לייזרלניסויים אחרים. מוגבלת על ידי סף הפירוק האופטי של גבישי DKDP, עוצמת ההקרנה של הדופק המשאבה מוגדרת כ- 1.5 ג'יגה -וואט/ס"מ 2 לכל תעלה והמשך משך 3.5 ns.
כל ערוץ של לייזר XCels מייצר קטניות עם כוח של 50 PW. בסך הכל 12 ערוצים מספקים כוח פלט כולל של 600 PW. בתא היעד העיקרי, עוצמת המיקוד המרבית של כל ערוץ בתנאים אידיאליים היא 0.44 × 1025 W/CM2, בהנחה שמרכיבי מיקוד F/1 משמשים למיקוד. אם הדופק של כל ערוץ נדחס עוד יותר ל- 2.6 FS על ידי טכניקה שלאחר הדחיסה, כוח הדופק הפלט המתאים יוגדל ל -230 PW, המתאים לעוצמת האור של 2.0 × 1025 w/cm2.
כדי להשיג עוצמת אור גדולה יותר, בפלט של 600 PW, פעימות האור ב -12 הערוצים יתמקדו בגיאומטריה של קרינת דיפול הפוכה, כפי שמוצג באיור 2. כאשר שלב הדופק בכל ערוץ אינו נעול, עוצמת המיקוד יכולה להגיע ל 9 × 1025 w/cm2. אם כל שלב הדופק נעול ומסונכרן, עוצמת האור המתקבלת הקוהרנטית תוגדל ל -3.2 × 1026 W/CM2. בנוסף לחדר היעד הראשי, פרויקט XCELS כולל עד 10 מעבדות משתמשים, שכל אחד מהם מקבל קורה אחת או יותר לניסויים. באמצעות שדה אור חזק במיוחד זה, פרויקט XCels מתכנן לבצע ניסויים בארבע קטגוריות: תהליכי אלקטרודינמיקה קוונטית בשדות לייזר אינטנסיביים; ייצור ותאוצה של חלקיקים; יצירת קרינה אלקטרומגנטית משנית; אסטרופיזיקה במעבדה, תהליכי צפיפות אנרגיה גבוהה ומחקר אבחון.
תְאֵנָה. 2 מיקוד הגיאומטריה בתא היעד הראשי. לשם הבהרה, המראה הפרבולית של קרן 6 מוגדרת לשקוף, וקורות הקלט והיציאה מציגות רק שני ערוצים 1 ו -7
איור 3 מציג את הפריסה המרחבית של כל שטח פונקציונלי במערכת לייזר XCels בבניין הניסוי. במרתף נמצאים במרתף, משאבות ואקום, טיפול במים, טיהור ומיזוג אוויר. שטח הבנייה הכולל הוא יותר מ- 24,000 מ"ר. צריכת החשמל הכוללת היא בערך 7.5 מגוואט. הבניין הניסוי מורכב ממסגרת כוללת חלולה פנימית ומקטע חיצוני, שכל אחד מהם בנוי על שני יסודות מנותקים. הוואקום ומערכות המעוררות רטט אחרות מותקנים על הבסיס המבודד ברטט, כך שמשרעת ההפרעה המועברת למערכת הלייזר דרך הבסיס והתמיכה מופחתת לפחות מ- 10-10 גרם/הרץ בטווח התדרים של 1-200 הרץ. בנוסף, רשת של סמני הפניה גיאודזית מוגדרת באולם הלייזר כדי לפקח באופן שיטתי אחר הסחף של הקרקע והציוד.
פרויקט XCels שואף ליצור מתקן מחקר מדעי גדול המבוסס על לייזרי כוח שיא גבוהים במיוחד. ערוץ אחד של מערכת לייזר XCels עשוי לספק עוצמת אור ממוקדת הגבוהה פי כמה מ- 1024 W/CM2, אשר ניתן לחרוג ממנה על ידי 1025 W/CM2 עם טכנולוגיה שלאחר הדחיסה. על ידי פולסים למיקוד דיפול מ -12 ערוצים במערכת הלייזר, ניתן להשיג עוצמה שקרובה ל 1026 W/CM2 גם ללא דחיסה לאחר הנעילה והפאזות. אם סנכרון הפאזה בין הערוצים נעול, עוצמת האור תהיה גבוהה פי כמה. בעזרת עוצמות דופק שוברות רשומות אלה ובפריסת הקורה הרב-ערוצית, מתקן ה- XCels העתידי יוכל לבצע ניסויים בעוצמה גבוהה במיוחד, התפלגות שדה אור מורכב, ולאבחן אינטראקציות באמצעות קורות לייזר רב-ערוציות וקרינה משנית. זה ימלא תפקיד ייחודי בתחום הפיזיקה הניסיונית האלקטרומגנטית הסופר-חזקה.
זמן הודעה: MAR-26-2024