Onlangs het die Instituut vir Toegepaste Fisika van die Russiese Akademie vir Wetenskappe die Exawatt Centre for Extreme Light Study (XCELS) bekendgestel, 'n navorsingsprogram vir groot wetenskaplike toestelle gebaseer op uiters uitersHoë krag lasers. Die projek bevat die konstruksie van 'n baieHoë krag laserGebaseer op optiese parametriese gekirpeerde polsversterkingstegnologie in groot diafragma -kaliumdideuteriumfosfaat (DKDP, chemiese formule KD2PO4) kristalle, met 'n verwagte totale uitset van 600 PW piekkragpulse. Hierdie werk bied belangrike besonderhede en navorsingsbevindinge oor die XCELS-projek en sy laserstelsels, wat toepassings en potensiële gevolge wat verband hou met ultra-sterk ligveldinteraksies beskryf.
Die XCELS -program is in 2011 voorgestel met die aanvanklike doel om 'n piekmag te bereiklaserPolsuitset van 200 PW, wat tans opgegradeer word na 600 PW. SyLaserstelselMaak staat op drie sleuteltegnologieë:
(1) Optiese parametriese gejirpeerde polsversterking (OPCPA) -tegnologie word gebruik in plaas van tradisionele gechirpeerde polsversterking (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) tegnologie;
(2) die gebruik van DKDP as die winsmedium, ultra breëbandfase -ooreenstemming word naby 910 nm golflengte gerealiseer;
(3) 'n Groot opening neodymiumglaslaser met 'n polsenergie van duisende joule word gebruik om 'n parametriese versterker te pomp.
Die bypassing van ultra-breëbandfase word algemeen in baie kristalle aangetref en word in OPCPA-femtosekonde-lasers gebruik. DKDP-kristalle word gebruik omdat dit die enigste materiaal is wat in die praktyk gevind kan word wat tot tiens sentimeter diafragma gekweek kan word en terselfdertyd aanvaarbare optiese eienskappe het om die versterking van multi-PW-krag te ondersteunlasers. Daar word gevind dat wanneer die DKDP -kristal gepomp word deur die dubbele frekwensie -lig van die ND -glaslaser, as die draergolflengte van die versterkte pols 910 nm is, is die eerste drie terme van die Taylor -uitbreiding van die golfvektor -wanverhouding 0.
Figuur 1 is 'n skematiese uitleg van die XCELS -laserstelsel. Die voorkant het gechirpeerde femtosekonde pulse gegenereer met 'n sentrale golflengte van 910 nm (1.3 in Figuur 1) en 1054 nm nanosekonde pulse wat in die OPCPA -gepompte laser (1.1 en 1.2 in Figuur 1) ingespuit is. Die voorkant verseker ook die sinchronisasie van hierdie pulse sowel as die vereiste energie en ruimtelike temporale parameters. 'N Intermediêre OPCPA wat werk teen 'n hoër herhalingstempo (1 Hz) versterk die geknetterde polsslag tot tienste joule (2 in Figuur 1). Die polsslag word verder deur die booster opcpa in 'n enkele kilojoule-balk versterk en in 12 identiese onderbalke verdeel (4 in Figuur 1). In die finale 12 OPCPA word elk van die 12 gekirpeerde ligpulse tot die kilojoule -vlak (5 in Figuur 1) versterk en dan saamgepers deur 12 kompressie -roosters (GC van 6 in Figuur 1). Die akoesto-optiese programmeerbare verspreidingsfilter word aan die voorkant gebruik om presies die snelheidsverspreiding van die kontrolegroep en verspreiding van hoë orde te kontrolegroep, om die kleinste moontlike polsbreedte te verkry. Die polspektrum het 'n vorm van byna die 12de-orde supergauss, en die spektrale bandwydte teen 1% van die maksimum waarde is 150 nm, wat ooreenstem met die Fourier-transformgrenspulswydte van 17 fs. Met inagneming van die onvolledige verspreidingsvergoeding en die moeilikheid van nie -lineêre fase -kompensasie in parametriese versterkers, is die verwagte polsbreedte 20 fs.
Die XCELS-laser gebruik twee 8-kanaals UFL-2M Neodymium Glass Laser Frequency verdubbelingmodules (3 in Figuur 1), waarvan 13 kanale gebruik sal word om die booster OPCPA en 12 finale OPCPA te pomp. Die oorblywende drie kanale sal gebruik word as onafhanklike nanosekonde kilojoule gepulseerLaserbronnevir ander eksperimente. Beperk deur die optiese afbreekdrempel van die DKDP -kristalle, is die bestralingsintensiteit van die gepompte pols op 1,5 GW/cm2 vir elke kanaal gestel en die duur is 3,5 ns.
Elke kanaal van die XCELS -laser produseer pulse met 'n krag van 50 pw. Altesaam 12 kanale bied 'n totale uitsetkrag van 600 PW. In die hoofdoelkamer is die maksimum fokusintensiteit van elke kanaal onder ideale omstandighede 0,44 × 1025 w/cm2, met die veronderstelling dat f/1 -fokuselemente gebruik word om te fokus. As die polsslag van elke kanaal verder saamgepers word tot 2,6 fs deur post-kompressietegniek, sal die ooreenstemmende uitsetpulsvermoë verhoog word tot 230 PW, wat ooreenstem met die ligintensiteit van 2,0 × 1025 W/cm2.
Om 'n groter ligintensiteit te bereik, by 600 PW -uitset, sal die ligpulse in die 12 kanale gefokus word in die meetkunde van omgekeerde dipoolstraling, soos aangetoon in Figuur 2. Wanneer die polsfase in elke kanaal nie gesluit is nie, kan die fokusintensiteit 9 × 1025 W/CM2 bereik. As elke polsfase gesluit en gesinchroniseer is, sal die samehangende gevolglike ligintensiteit verhoog word tot 3,2 × 1026 w/cm2. Benewens die belangrikste teikenkamer, bevat die XCELS -projek tot 10 gebruikerslaboratoriums, wat elkeen een of meer balke vir eksperimente ontvang. Met behulp van hierdie buitengewone sterk ligveld beplan die XCELS -projek om eksperimente in vier kategorieë uit te voer: kwantum -elektrodinamika -prosesse in intense laservelde; Die produksie en versnelling van deeltjies; Die opwekking van sekondêre elektromagnetiese bestraling; Laboratorium -astrofisika, prosesse met 'n hoë energiedigtheid en diagnostiese navorsing.
Fig. 2 Fokus meetkunde in die hoofdoelkamer. Vir duidelikheid is die paraboliese spieël van balk 6 op deursigtig gestel, en die inset- en uitsetbalke toon slegs twee kanale 1 en 7
Figuur 3 toon die ruimtelike uitleg van elke funksionele oppervlakte van die XCELS -laserstelsel in die eksperimentele gebou. Elektrisiteit, vakuumpompe, waterbehandeling, suiwering en lugversorging is in die kelder geleë. Die totale konstruksiegebied is meer as 24.000 m2. Die totale kragverbruik is ongeveer 7,5 MW. Die eksperimentele gebou bestaan uit 'n interne hol algehele raam en 'n eksterne gedeelte, elk gebou op twee ontkoppelde fondasies. Die vakuum en ander vibrasie-induserende stelsels word op die vibrasie-geïsoleerde fondament geïnstalleer, sodat die amplitude van die versteuring wat deur die fondament en ondersteuning na die laserstelsel oorgedra word, verminder word tot minder as 10-10 G2/Hz in die frekwensiegebied van 1-200 Hz. Daarbenewens word 'n netwerk van geodesiese verwysingsmerkers in die laseraal opgestel om die drywing van die grond en toerusting stelselmatig te monitor.
Die XCELS -projek het ten doel om 'n groot wetenskaplike navorsingsfasiliteit te skep wat gebaseer is op buitengewone hoë piek -kraglasers. Een kanaal van die XCELS-laserstelsel kan 'n gefokusde ligintensiteit bied 'n paar keer hoër as 1024 w/cm2, wat verder met 1025 w/cm2 met post-kompressietegnologie oorskry kan word. Deur pulse van dipoolfokus van 12 kanale in die laserstelsel, kan 'n intensiteit naby 1026 w/cm2 bereik word, selfs sonder na-kompressie en fase-sluiting. As die fase -sinchronisasie tussen kanale gesluit is, sal die ligintensiteit verskeie kere hoër wees. Met behulp van hierdie rekordbrekende polsintensiteit en die multikanaal-balkuitleg, kan die toekomstige XCELS-fasiliteit eksperimente uitvoer met buitengewone hoë intensiteit, komplekse ligveldverspreidings en interaksies diagnoseer met behulp van multikanaal laserstrale en sekondêre bestraling. Dit sal 'n unieke rol speel op die gebied van super-sterk elektromagnetiese veld eksperimentele fisika.
Postyd: MAR-26-2024