Onlangs het die Instituut vir Toegepaste Fisika van die Russiese Akademie vir Wetenskappe die eXawatt-sentrum vir ekstreme ligstudie (XCELS) bekendgestel, 'n navorsingsprogram vir groot wetenskaplike toestelle gebaseer op uitershoëkraglasersDie projek sluit die konstruksie van 'n baiehoëkraglasergebaseer op optiese parametriese getjirpte pulsversterkingtegnologie in groot-opening kaliumdideuteriumfosfaat (DKDP, chemiese formule KD2PO4) kristalle, met 'n verwagte totale uitset van 600 PW piekkragpulse. Hierdie werk verskaf belangrike besonderhede en navorsingsbevindinge oor die XCELS-projek en sy laserstelsels, en beskryf toepassings en potensiële impakte wat verband hou met ultra-sterk ligveldinteraksies.
Die XCELS-program is in 2011 voorgestel met die aanvanklike doel om 'n piekkrag te bereik.laserpulsuitset van 200 PW, wat tans opgegradeer is na 600 PW. Sylaserstelselstaatmaak op drie sleuteltegnologieë:
(1) Optiese Parametriese Gepiepte Pulsversterking (OPCPA) tegnologie word gebruik in plaas van tradisionele Gepiepte Pulsversterking (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) tegnologie;
(2) Deur DKDP as die versterkingsmedium te gebruik, word ultrawyebandfase-ooreenstemming naby 'n golflengte van 910 nm bewerkstellig;
(3) 'n Neodymium-glaslaser met 'n groot opening en 'n pulsenergie van duisende joule word gebruik om 'n parametriese versterker te pomp.
Ultrawyeband-fase-ooreenstemming word wyd in baie kristalle aangetref en word in OPCPA-femtosekondelasers gebruik. DKDP-kristalle word gebruik omdat hulle die enigste materiaal is wat in die praktyk gevind word wat tot tiene sentimeter diafragma gekweek kan word en terselfdertyd aanvaarbare optiese eienskappe het om die versterking van multi-PW-krag te ondersteun.lasersDaar word gevind dat wanneer die DKDP-kristal deur die dubbelfrekwensielig van die ND-glaslaser gepomp word, as die draergolflengte 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 getjirpte femtosekonde-pulse gegenereer met 'n sentrale golflengte van 910 nm (1.3 in Figuur 1) en 1054 nm nanosekonde-pulse wat in die OPCPA-pomplaser 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 ruimtelike-temporale parameters. 'n Intermediêre OPCPA wat teen 'n hoër herhalingstempo (1 Hz) werk, versterk die getjirpte puls tot tiene joules (2 in Figuur 1). Die puls word verder versterk deur die Booster OPCPA in 'n enkele kilojoule-straal en verdeel in 12 identiese substrale (4 in Figuur 1). In die laaste 12 OPCPA word elk van die 12 getjirpte 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 groepsnelheidsdispersie en hoë-orde dispersie presies te beheer, om sodoende die kleinste moontlike pulswydte te verkry. Die pulsspektrum het 'n vorm van byna 12de-orde supergauss, en die spektrale bandwydte teen 1% van die maksimum waarde is 150 nm, wat ooreenstem met die Fourier-transformlimietpulswydte van 17 fs. In die lig van die onvolledige dispersiekompensasie en die moeilikheidsgraad van nie-lineêre fasekompensasie in parametriese versterkers, is die verwagte pulswydte 20 fs.
Die XCELS-laser sal twee 8-kanaal UFL-2M neodymiumglaslaserfrekwensieverdubbelingsmodules (3 in Figuur 1) gebruik, waarvan 13 kanale gebruik sal word om die Booster OPCPA te pomp en 12 finale OPCPA. Die oorblywende drie kanale sal as onafhanklike nanosekonde kilojoule-gepulseerde ... gebruik word.laserbronnevir ander eksperimente. Beperk deur die optiese deurslagdrempel van die DKDP-kristalle, word die bestralingsintensiteit van die gepompte puls 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. 'n Totaal van 12 kanale bied '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 aanname dat F/1-fokuselemente vir fokussering gebruik word. Indien die puls van elke kanaal verder saamgepers word tot 2.6 fs deur na-kompressietegniek, sal die ooreenstemmende uitsetpulskrag verhoog word tot 230 PW, wat ooreenstem met die ligintensiteit van 2.0×1025 W/cm2.
Om groter ligintensiteit te bereik, sal die ligpulse in die 12 kanale teen 'n uitset van 600 PW 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 9×1025 W/cm2 bereik. As elke pulsfase gesluit en gesinchroniseer is, sal die koherente resulterende ligintensiteit verhoog word tot 3.2×1026 W/cm2. Benewens die hoofteikenkamer, sluit die XCELS-projek tot 10 gebruikerslaboratoriums in, wat elk 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: kwantumelektrodinamika-prosesse in intense laservelde; Die produksie en versnelling van deeltjies; Die opwekking van sekondêre elektromagnetiese straling; Laboratorium-astrofisika, hoë-energiedigtheidsprosesse en diagnostiese navorsing.
FIG. 2 Fokusgeometrie in die hoofteikenkamer. Vir duidelikheid is die paraboliese spieël van straal 6 op deursigtig gestel, en die invoer- en uitvoerstrale 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 konstruksie-area 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 fondamente. Die vakuum- en ander vibrasie-induserende stelsels word op die vibrasie-geïsoleerde fondament geïnstalleer, sodat die amplitude van die steuring wat deur die fondament en ondersteuning na die laserstelsel oorgedra word, verminder word tot minder as 10-10 g2/Hz in die frekwensiebereik van 1-200 Hz. Daarbenewens word 'n netwerk van geodesiese verwysingsmerkers in die lasersaal opgestel om die wegdrywing van die grond en toerusting sistematies te monitor.
Die XCELS-projek het ten doel om 'n groot wetenskaplike navorsingsfasiliteit te skep gebaseer op lasers met uiters hoë piekkrag. Een kanaal van die XCELS-laserstelsel kan 'n gefokusde ligintensiteit lewer wat 'n paar keer hoër as 1024 W/cm2 is, wat verder oortref kan word met 1025 W/cm2 met na-kompressietegnologie. Deur dipool-fokusserende pulse van 12 kanale in die laserstelsel, kan 'n intensiteit van naby 1026 W/cm2 bereik word, selfs sonder na-kompressie en fasesluiting. As die fasesinchronisasie tussen kanale gesluit is, sal die ligintensiteit 'n paar keer hoër wees. Deur hierdie rekordbrekende pulsintensiteite en die multikanaal-straaluitleg te gebruik, sal die toekomstige XCELS-fasiliteit eksperimente met uiters hoë intensiteit, komplekse ligveldverspreidings kan uitvoer, en interaksies kan diagnoseer met behulp van multikanaal-laserstrale en sekondêre straling. Dit sal 'n unieke rol speel in die veld van supersterk elektromagnetiese veld eksperimentele fisika.
Plasingstyd: 26 Maart 2024