לאחרונה, המכון לפיזיקה שימושית של האקדמיה הרוסית למדעים הציג את מרכז eXawat לחקר אור קיצוני (XCELS), תוכנית מחקר למכשירים מדעיים גדולים המבוססת עללייזרים בהספק גבוה. הפרויקט כולל בניית מאודלייזר בעוצמה גבוההמבוסס על טכנולוגיית הגברת פעימות ציוץ פרמטרי אופטי בגבישי אשלגן דידיוטריום פוספט עם צמצם גדול (DKDP, נוסחה כימית KD2PO4), עם תפוקה כוללת צפויה של 600 פולסי הספק שיא PW. עבודה זו מספקת פרטים חשובים וממצאי מחקר על פרויקט XCELS ומערכות הלייזר שלו, ומתארת יישומים והשפעות פוטנציאליות הקשורות לאינטראקציות חזקות במיוחד של שדה אור.
תוכנית XCELS הוצעה בשנת 2011 במטרה ראשונית של השגת שיא הספקלייזרתפוקת דופק של 200 PW, המשודרגת כעת ל-600 PW. שֶׁלָהמערכת לייזרמסתמך על שלוש טכנולוגיות מפתח:
(1) נעשה שימוש בטכנולוגיית Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) במקום הגברה מסורתית של Chirped Pulse (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) טכנולוגיה;
(2) שימוש ב-DKDP כמדיום ההגבר, התאמת פאזות אולטרה-רחבת פס מתממשת ליד אורך גל של 910 ננומטר;
(3) לייזר זכוכית ניאודימיום בעל צמצם גדול עם אנרגיית פולס של אלפי ג'אול משמש לשאיבת מגבר פרמטרי.
התאמת פאזות אולטרה-wideband נמצאת בהרבה גבישים ונמצאת בשימוש בלייזרי OPCPA femtosecond. נעשה שימוש בגבישי DKDP מכיוון שהם החומר היחיד שנמצא בפועל, שניתן לגדל עד לעשרות סנטימטרים של צמצם ובמקביל בעלי איכויות אופטיות מקובלות לתמוך בהגברה של הספק רב-PWלייזרים. נמצא שכאשר גביש DKDP נשאב על ידי האור הכפול בתדר של לייזר זכוכית ND, אם אורך הגל של הפולס המוגבר הוא 910 ננומטר, שלושת האיברים הראשונים של התפשטות טיילור של אי-ההתאמה של וקטור הגל הם 0.
איור 1 הוא פריסה סכמטית של מערכת הלייזר XCELS. הקצה הקדמי יצר פולסי פמט-שנייה מצייצים עם אורך גל מרכזי של 910 ננומטר (1.3 באיור 1) ופולסים של ננו-שניות של 1054 ננומטר שהוזרקו ללייזר השאוב של OPCPA (1.1 ו-1.2 באיור 1). הקצה הקדמי גם מבטיח את הסנכרון של פולסים אלה, כמו גם את האנרגיה הנדרשת ופרמטרים מרחבי-זמניים. OPCPA ביניים הפועל בקצב חזרות גבוה יותר (1 הרץ) מגביר את הדופק המציוץ לעשרות ג'אול (2 באיור 1). הדופק מוגבר עוד יותר על ידי ה-Booster OPCPA לאלומת קילוג'אול בודדת ומחולק ל-12 אלומות משנה זהות (4 באיור 1). ב-12 OPCPA הסופיים, כל אחד מ-12 פעימות האור המציוצות מוגבר לרמת קילוג'אול (5 באיור 1) ולאחר מכן נדחס על ידי 12 רשתות דחיסה (GC של 6 באיור 1). מסנן הפיזור האקוסטו-אופטי הניתן לתכנות משמש בקצה הקדמי כדי לשלוט במדויק על פיזור מהירות הקבוצה ופיזור מסדר גבוה, כדי להשיג את רוחב הפולסים הקטן ביותר האפשרי. לספקטרום הפולסים יש צורה של סופרגאוס כמעט 12, ורוחב הפס הספקטרלי ב-1% מהערך המקסימלי הוא 150 ננומטר, המתאים לרוחב הפולסים מגבלת טרנספורמציה פורייה של 17 fs. בהתחשב בפיצוי הפיזור הבלתי שלם ובקושי של פיצוי פאזה לא ליניארי במגברים פרמטריים, רוחב הפולסים הצפוי הוא 20 fs.
הלייזר XCELS ישתמש בשני מודולים להכפלת תדירות לייזר זכוכית מסוג UFL-2M 8 ערוצים (3 באיור 1), מתוכם 13 ערוצים ישמשו לשאיבת ה-Booster OPCPA ו-12 OPCPA סופיים. שלושת הערוצים הנותרים ישמשו כקילו-ג'אול עצמאי של ננו-שניותמקורות לייזרלניסויים אחרים. מוגבל על ידי סף הפירוק האופטי של גבישי DKDP, עוצמת הקרינה של הפולס הנשאב מוגדרת ל-1.5 GW/cm2 עבור כל ערוץ ומשך הזמן הוא 3.5 ns.
כל ערוץ של הלייזר XCELS מייצר פולסים בהספק של 50 PW. בסך הכל 12 ערוצים מספקים הספק מוצא כולל של 600 PW. בתא המטרה הראשי, עוצמת המיקוד המקסימלית של כל ערוץ בתנאים אידיאליים היא 0.44×1025 W/cm2, בהנחה שרכיבי מיקוד F/1 משמשים למיקוד. אם הדופק של כל ערוץ נדחס עוד יותר ל-2.6 fs על ידי טכניקת פוסט-דחיסה, הספק הדופק המוצא המתאים יוגדל ל-230 PW, המתאים לעוצמת האור של 2.0×1025 W/cm2.
כדי להשיג עוצמת אור גדולה יותר, בפלט של 600 PW, פולסי האור ב-12 הערוצים יתמקדו בגיאומטריה של קרינת דיפול הפוכה, כפי שמוצג באיור 2. כאשר שלב הפולס בכל ערוץ אינו נעול, עוצמת המיקוד יכולה להגיע ל-9×1025 W/cm2. אם כל שלב פולס ננעל ומסונכרן, עוצמת האור הנובעת הקוהרנטית תוגדל ל-3.2×1026 W/cm2. בנוסף לחדר המטרה הראשי, פרויקט XCELS כולל עד 10 מעבדות משתמש, כל אחת מקבלת קרן אחת או יותר לניסויים. באמצעות שדה האור החזק ביותר הזה, פרויקט XCELS מתכנן לבצע ניסויים בארבע קטגוריות: תהליכי אלקטרודינמיקה קוונטית בשדות לייזר עזים; ייצור והאצה של חלקיקים; יצירת קרינה אלקטרומגנטית משנית; אסטרופיזיקה מעבדתית, תהליכי צפיפות אנרגיה גבוהה ומחקר אבחוני.
תְאֵנָה. 2 מיקוד גיאומטריה בתא היעד הראשי. למען הבהירות, המראה הפרבולית של קרן 6 מוגדרת לשקופה, ואלומות הקלט והפלט מציגות רק שני ערוצים 1 ו-7
איור 3 מציג את הפריסה המרחבית של כל אזור פונקציונלי של מערכת הלייזר XCELS בבניין הניסוי. חשמל, משאבות ואקום, טיפול במים, טיהור ומיזוג אוויר נמצאים במרתף. שטח הבנייה הכולל הוא יותר מ-24,000 מ"ר. צריכת החשמל הכוללת היא כ-7.5 MW. מבנה הניסוי מורכב ממסגרת כוללת חלולה פנימית וחתך חיצוני, כל אחד בנוי על שני יסודות מנותקים. הוואקום ומערכות אחרות מעוררות רעידות מותקנות על הבסיס המבודד רעידות, כך שהמשרעת של ההפרעה המשודרת למערכת הלייזר דרך הבסיס והתמיכה מצטמצמת לפחות מ-10-10 g2/Hz בטווח התדרים של 1-200 הרץ. בנוסף, מוקמת באולם הלייזר רשת של סמני התייחסות גאודזיים לניטור שיטתי של סחיפת הקרקע והציוד.
פרויקט XCELS שואף ליצור מתקן מחקר מדעי גדול המבוסס על לייזרים בהספק שיא גבוה במיוחד. ערוץ אחד של מערכת הלייזר XCELS עשוי לספק עוצמת אור ממוקדת הגבוהה פי כמה מ-1024 W/cm2, שניתן לחרוג ממנה עוד יותר ב-1025 W/cm2 עם טכנולוגיית פוסט-דחיסה. על ידי פולסים ממוקדי דיפול מ-12 ערוצים במערכת הלייזר, ניתן להגיע לעוצמה הקרובה ל-1026 W/cm2 גם ללא פוסט-דחיסה ונעילת פאזה. אם סנכרון הפאזה בין הערוצים ננעל, עוצמת האור תהיה גבוהה פי כמה. באמצעות עוצמות הפולסים שוברות השיאים הללו ובפריסת האלומה הרב-ערוצית, מתקן ה-XCELS העתידי יוכל לבצע ניסויים בעוצמה גבוהה במיוחד, הפצות שדות אור מורכבות, ולאבחן אינטראקציות באמצעות קרני לייזר רב-ערוציות וקרינה משנית. זה ימלא תפקיד ייחודי בתחום הפיזיקה הניסויית של שדה אלקטרומגנטי חזק במיוחד.
זמן פרסום: 26-3-2024