Onlangs het die Instituut vir Toegepaste Fisika van die Russiese Akademie vir Wetenskappe die eXawatt-sentrum vir uiterste ligstudie (XCELS), 'n navorsingsprogram vir groot wetenskaplike toestelle gebaseer op uiterstehoë krag lasers. Die projek sluit die bou van 'n baie inhoë krag lasergebaseer op optiese parametriese getjirpde pulsversterkingstegnologie in kaliumdideuteriumfosfaatkristalle met groot openinge (DKDP, chemiese formule KD2PO4), met 'n verwagte totale uitset van 600 PW piekkragpulse. Hierdie werk verskaf belangrike besonderhede en navorsingsbevindinge oor die XCELS-projek en sy laserstelsels, wat toepassings en potensiële impakte wat verband hou met ultrasterk ligveldinteraksies beskryf.
Die XCELS-program is in 2011 voorgestel met die aanvanklike doel om 'n piekkrag te bereiklaserpolsuitset van 200 PW, wat tans opgegradeer word na 600 PW. Sylaser stelselstaatmaak op drie sleuteltegnologieë:
(1) Optiese Parametriese Chirped Pulse Amplification (OPCPA) tegnologie word gebruik in plaas van tradisionele Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) tegnologie;
(2) Deur DKDP as die versterkingsmedium te gebruik, word ultrawyeband fase-passing gerealiseer naby 910 nm golflengte;
(3) 'n Neodimiumglaslaser met groot opening met 'n pulsenergie van duisende joules word gebruik om 'n parametriese versterker te pomp.
Ultrawyeband fase-passing word algemeen in baie kristalle aangetref en word gebruik in OPCPA femtosekonde lasers. DKDP-kristalle word gebruik omdat dit die enigste materiaal is wat in die praktyk gevind word wat tot tien sentimeters van diafragma gegroei 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 deur die dubbelfrekwensielig van die ND-glaslaser gepomp word, as die dragolflengte van die versterkte puls 910 nm is, die eerste drie terme van die Taylor-uitbreiding van die golfvektor-wanpassing 0 is.
Figuur 1 is 'n skematiese uitleg van die XCELS-laserstelsel. Die voorkant het getjirpde 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 ingespuit is (1.1 en 1.2 in Figuur 1). Die voorkant verseker ook die sinchronisasie van hierdie pulse sowel as die vereiste energie en tydruimtelike parameters. 'n Intermediêre OPCPA wat teen 'n hoër herhalingstempo (1 Hz) werk, versterk die getjirpde pols tot tientalle joules (2 in Figuur 1). Die pols word verder versterk deur die Booster OPCPA in 'n enkele kilojoule-bundel en verdeel in 12 identiese sub-strale (4 in Figuur 1). In die finale 12 OPCPA word elk van die 12 getjirpde ligpulse versterk tot die kilojoule-vlak (5 in Figuur 1) en dan saamgepers deur 12 kompressieroosters (GC van 6 in Figuur 1). Die akoesto-optiese programmeerbare dispersiefilter word in die voorkant gebruik om groepsnelheidsverspreiding en hoë-orde dispersie presies te beheer om die kleinste moontlike pulswydte te verkry. Die pulsspektrum het 'n vorm van byna 12de-orde supergauss, en die spektrale bandwydte by 1% van die maksimum waarde is 150 nm, wat ooreenstem met die Fourier transform limiet pulswydte van 17 fs. Met inagneming van die onvolledige verspreidingskompensasie en die moeilikheid van nie-lineêre fasekompensasie in parametriese versterkers, is die verwagte pulswydte 20 fs.
Die XCELS laser sal twee 8-kanaal UFL-2M neodymium glas laser frekwensie verdubbeling modules gebruik (3 in Figuur 1), waarvan 13 kanale gebruik sal word om die Booster OPCPA te pomp en 12 finale OPCPA. Die oorblywende drie kanale sal gebruik word as onafhanklike nanosekonde kilojoule gepulslaser bronnevir ander eksperimente. Beperk deur die optiese afbreekdrempel van die DKDP-kristalle, is die bestralingsintensiteit van die gepompte puls ingestel op 1.5 GW/cm2 vir elke kanaal en die duur is 3.5 ns.
Elke kanaal van die XCELS-laser produseer pulse met 'n krag van 50 PW. Altesaam 12 kanale lewer 'n totale uitsetkrag van 600 PW. In die hoofteikenkamer is die maksimum fokusintensiteit van elke kanaal onder ideale toestande 0.44×1025 W/cm2, met die veronderstelling dat F/1 fokuselemente vir fokus gebruik word. Indien die puls van elke kanaal verder saamgepers word tot 2.6 fs deur nakompressietegniek, sal die ooreenstemmende uitsetpulskrag verhoog word na 230 PW, wat ooreenstem met die ligintensiteit van 2.0×1025 W/cm2.
Om groter ligintensiteit te bereik, by 600 PW uitset, sal die ligpulse in die 12 kanale gefokus word in die geometrie van inverse dipoolstraling, soos getoon in Figuur 2. Wanneer die pulsfase in elke kanaal nie gesluit is nie, kan die fokusintensiteit bereik 9×1025 W/cm2. As elke pulsfase gesluit en gesinchroniseer word, sal die koherente resulterende ligintensiteit verhoog word na 3.2×1026 W/cm2. Benewens die hoofteikenkamer, sluit die XCELS-projek tot 10 gebruikerslaboratoriums in, wat elkeen een of meer strale vir eksperimente ontvang. Deur hierdie uiters sterk ligveld te gebruik, beplan die XCELS-projek om eksperimente in vier kategorieë uit te voer: kwantumelektrodinamiese prosesse in intense laservelde; Die produksie en versnelling van deeltjies; Die opwekking van sekondêre elektromagnetiese straling; Laboratoriumastrofisika, hoë-energiedigtheidprosesse en diagnostiese navorsing.
FIG. 2 Fokusmeetkunde in die hoofteikenkamer. Vir duidelikheid is die paraboliese spieël van balk 6 op deursigtig gestel, en die inset- en uitsetbalke wys slegs twee kanale 1 en 7
Figuur 3 toon die ruimtelike uitleg van elke funksionele area van die XCELS-laserstelsel in die eksperimentele gebou. Elektrisiteit, vakuumpompe, waterbehandeling, suiwering en lugversorging is in die kelder geleë. Die totale konstruksieoppervlakte is meer as 24 000 m2. Die totale kragverbruik is sowat 7,5 MW. Die eksperimentele gebou bestaan uit 'n interne hol oorkoepelende raam en 'n eksterne gedeelte, elk gebou op twee ontkoppelde fondamente. Die vakuum en ander vibrasie-induserende stelsels word op die vibrasie-geïsoleerde fondament geïnstalleer, sodat die amplitude van die versteuring wat deur die fondasie en ondersteuning na die laserstelsel oorgedra word, verminder word tot minder as 10-10 g2/Hz in die frekwensiegebied van 1-200 Hz. Boonop word 'n netwerk van geodetiese verwysingsmerkers in die lasersaal opgestel om stelselmatig die wegdrywing van die grond en toerusting te monitor.
Die XCELS-projek het ten doel om 'n groot wetenskaplike navorsingsfasiliteit te skep wat gebaseer is op uiters hoë piekkraglasers. Een kanaal van die XCELS-laserstelsel kan 'n gefokusde ligintensiteit verskeie kere hoër as 1024 W/cm2 verskaf, wat verder met 1025 W/cm2 oorskry kan word met nakompressietegnologie. Deur dipoolfokuserende pulse vanaf 12 kanale in die laserstelsel, kan 'n intensiteit naby aan 1026 W/cm2 bereik word selfs sonder nakompressie en fasesluiting. As die fasesinchronisasie tussen kanale gesluit is, sal die ligintensiteit 'n paar keer hoër wees. Deur gebruik te maak van hierdie rekordbrekende polsintensiteite en die multikanaal-straaluitleg, sal die toekomstige XCELS-fasiliteit eksperimente met uiters hoë intensiteit, komplekse ligveldverspreidings kan uitvoer, en interaksies kan diagnoseer deur gebruik te maak van multikanaal laserstrale en sekondêre bestraling. Dit sal 'n unieke rol speel op die gebied van supersterk elektromagnetiese veld eksperimentele fisika.
Pos tyd: Mrt-26-2024