לאחרונה, המכון לפיזיקה יישומית של האקדמיה הרוסית למדעים הציג את מרכז eXawatt לחקר אור קיצוני (XCELS), תוכנית מחקר למכשירים מדעיים גדולים המבוססים על אור קיצוני.לייזרים בעלי עוצמה גבוהההפרויקט כולל את בנייתו שללייזר בעל עוצמה גבוההמבוסס על טכנולוגיית הגברת פולסים ציוצים אופטית פרמטרית בגבישי אשלגן דידאוטריום פוספט (DKDP, נוסחה כימית KD2PO4) בעלי צמצם גדול, עם תפוקה כוללת צפויה של 600 פולסים בהספק שיא PW. עבודה זו מספקת פרטים חשובים וממצאי מחקר אודות פרויקט XCELS ומערכות הלייזר שלו, ומתארת יישומים והשפעות פוטנציאליות הקשורות לאינטראקציות בין שדות אור חזקים במיוחד.
תוכנית XCELS הוצעה בשנת 2011 במטרה הראשונית להשיג הספק שיאלייזרתפוקת פולסים של 200 PW, אשר משודרגת כעת ל-600 PW. שלהמערכת לייזרמסתמך על שלוש טכנולוגיות מרכזיות:
(1) טכנולוגיית הגברת דופק ציוץ אופטי פרמטרית (OPCPA) משמשת במקום טכנולוגיית הגברת דופק ציוץ מסורתית (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) באמצעות DKDP כמדיום הגברה, מתממשת התאמת פאזה אולטרה-רחבת פס ליד אורך גל של 910 ננומטר;
(3) לייזר זכוכית ניאודימיום בעל צמצם גדול ואנרגיית פולס של אלפי ג'אול משמש להפעלת מגבר פרמטרי.
התאמת פאזות אולטרה-רחבת-פס נמצאת באופן נרחב בגבישים רבים ומשמשת בלייזרי פמטו-שנייה של OPCPA. גבישי DKDP משמשים משום שהם החומר היחיד שנמצא בפועל שניתן לגדל אותו לצמצם של עשרות סנטימטרים ובו זמנית בעלי תכונות אופטיות מקובלות לתמיכה בהגברת הספק רב-פסים.לייזריםנמצא שכאשר גביש ה-DKDP נשאב על ידי אור בתדר כפול 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 ייצר פולסים מצייצים של פמטו-שנייה באורך גל מרכזי של 910 ננומטר (1.3 באיור 1) ופולסים של ננו-שנייה של 1054 ננומטר שהוזרקו ללייזר OPCPA שאוב (1.1 ו-1.2 באיור 1). הקצה הקדמי גם מבטיח את הסנכרון של פולסים אלה, כמו גם את האנרגיה והפרמטרים המרחביים-זמניים הנדרשים. OPCPA ביניים הפועל בקצב חזרות גבוה יותר (1 הרץ) מגביר את הפולס המצויץ לעשרות ג'אול (2 באיור 1). הפולס מוגבר עוד יותר על ידי OPCPA Booster לאלומת קילוג'ול אחת ומחולק ל-12 תת-אלומות זהות (4 באיור 1). ב-12 ה-OPCPA הסופיים, כל אחד מ-12 פולסי האור המצויצים מוגבר לרמת קילוג'ול (5 באיור 1) ולאחר מכן נדחס על ידי 12 סריג דחיסה (GC של 6 באיור 1). מסנן הפיזור האקוסטו-אופטי הניתן לתכנות משמש בקצה הקדמי כדי לשלוט במדויק בפיזור מהירות הקבוצה ובפיזור מסדר גבוה, על מנת להשיג את רוחב הפולס הקטן ביותר האפשרי. ספקטרום הפולס הוא בעל צורה של סופרגאוס מסדר 12 כמעט, ורוחב הפס הספקטרלי ב-1% מהערך המקסימלי הוא 150 ננומטר, התואם לרוחב הפולס של גבול טרנספורמציית פורייה של 17 fps. בהתחשב בפיצוי הפיזור הלא שלם ובקושי של פיצוי פאזה לא ליניארי במגברים פרמטריים, רוחב הפולס הצפוי הוא 20 fps.
לייזר ה-XCELS ישתמש בשני מודולי הכפלת תדר של לייזר זכוכית ניאודימיום UFL-2M בעלי 8 ערוצים (3 באיור 1), מתוכם 13 ערוצים ישמשו לשאיבת OPCPA Booster ו-12 OPCPA סופי. שלושת הערוצים הנותרים ישמשו כלייזר פולסים עצמאי של ננו-שניות בקילו-ג'אול.מקורות לייזרעבור ניסויים אחרים. מוגבל על ידי סף הפריצה האופטית של גבישי DKDP, עוצמת הקרינה של הפולס השאוב נקבעה ל-1.5 ג'יגה-וואט/סמ"ר עבור כל ערוץ ומשך הזמן הוא 3.5 ננו-שניות.
כל ערוץ של לייזר XCELS מייצר פולסים בהספק של 50 PW. סך של 12 ערוצים מספקים הספק פלט כולל של 600 PW. בתא המטרה הראשי, עוצמת המיקוד המקסימלית של כל ערוץ בתנאים אידיאליים היא 0.44×1025 W/cm2, בהנחה שאלמנטים של מיקוד F/1 משמשים למיקוד. אם הפולס של כל ערוץ נדחס עוד יותר ל-2.6 fs באמצעות טכניקת דחיסה לאחר מכן, הספק פולס הפלט המתאים יוגדל ל-230 PW, התואם לעוצמת אור של 2.0×1025 W/cm2.
כדי להשיג עוצמת אור גדולה יותר, ביציאה של 600 PW, פולסי האור ב-12 הערוצים יתמקדו בגיאומטריה של קרינת דיפול הפוכה, כפי שמוצג באיור 2. כאשר פאזת הפולס בכל ערוץ אינה נעולה, עוצמת המיקוד יכולה להגיע ל-9×1025 W/cm2. אם כל פאזת פולס נעולה ומסונכרנת, עוצמת האור הקוהרנטית המתקבלת תוגדל ל-3.2×1026 W/cm2. בנוסף לחדר היעד הראשי, פרויקט XCELS כולל עד 10 מעבדות משתמשים, שכל אחת מקבלת קרן אחת או יותר לניסויים. באמצעות שדה אור חזק במיוחד זה, פרויקט XCELS מתכנן לבצע ניסויים בארבע קטגוריות: תהליכי אלקטרודינמיקה קוונטית בשדות לייזר עזים; ייצור והאצה של חלקיקים; יצירת קרינה אלקטרומגנטית משנית; אסטרופיזיקה מעבדתית, תהליכים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה ומחקר אבחוני.
איור 2 גיאומטריית מיקוד בתא המטרה הראשי. לשם הבהירות, המראה הפרבולית של קרן 6 מוגדרת כשקופה, וקורות הקלט והפלט מציגות רק שני ערוצים 1 ו-7.
איור 3 מציג את הפריסה המרחבית של כל אזור פונקציונלי של מערכת הלייזר XCELS בבניין הניסויים. חשמל, משאבות ואקום, טיפול במים, טיהור ומיזוג אוויר ממוקמים במרתף. שטח הבנייה הכולל הוא יותר מ-24,000 מ"ר. צריכת החשמל הכוללת היא כ-7.5 מגה-וואט. בניין הניסויים מורכב ממסגרת פנימית חלולה ומקטע חיצוני, כל אחד מהם בנוי על שני יסודות מנותקים. מערכות הוואקום ומערכות אחרות המעוררות רעידות מותקנות על היסודות המבודדים מרעידות, כך שמשרעת ההפרעה המועברת למערכת הלייזר דרך היסודות והתמיכה מצטמצמת לפחות מ-10-10 g2/Hz בטווח התדרים של 1-200 הרץ. בנוסף, רשת של סמני ייחוס גיאודזיים הוקמה באולם הלייזר כדי לנטר באופן שיטתי את סחיף הקרקע והציוד.
פרויקט XCELS שואף ליצור מתקן מחקר מדעי גדול המבוסס על לייזרים בעלי עוצמת שיא גבוהה במיוחד. ערוץ אחד של מערכת הלייזר XCELS עשוי לספק עוצמת אור ממוקדת גבוהה פי כמה מ-1024 W/cm2, שניתן לעלות עליה עוד יותר ב-1025 W/cm2 בעזרת טכנולוגיית דחיסה לאחר מכן. באמצעות פולסים עם מיקוד דיפול מ-12 ערוצים במערכת הלייזר, ניתן להשיג עוצמה הקרובה ל-1026 W/cm2 גם ללא דחיסה לאחר מכן ונעילת פאזה. אם סנכרון הפאזה בין הערוצים ננעל, עוצמת האור תהיה גבוהה פי כמה. באמצעות עוצמות פולסים שוברות שיאים אלו ופריסה רב-ערוצית של קרן, מתקן XCELS העתידי יוכל לבצע ניסויים עם עוצמה גבוהה במיוחד ותפלגות שדה אור מורכבות, ולאבחן אינטראקציות באמצעות קרני לייזר רב-ערוציות וקרינה משנית. לכך יהיה תפקיד ייחודי בתחום הפיזיקה הניסויית של שדות אלקטרומגנטיים חזקים במיוחד.
זמן פרסום: 26 במרץ 2024