Kamakailan, ipinakilala ng Institute of Applied Physics ng Russian Academy of Sciences ang eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), isang programa sa pananaliksik para sa malalaking pang-agham na aparato batay sa sobrangmataas na kapangyarihan lasers. Kasama sa proyekto ang pagtatayo ng isang napakamataas na kapangyarihan ng laserbatay sa optical parametric chirped pulse amplification technology sa malalaking aperture potassium dideuterium phosphate (DKDP, chemical formula KD2PO4) na kristal, na may inaasahang kabuuang output na 600 PW peak power pulses. Ang gawaing ito ay nagbibigay ng mahahalagang detalye at mga natuklasan sa pananaliksik tungkol sa proyekto ng XCELS at ang mga sistema ng laser nito, na naglalarawan ng mga aplikasyon at potensyal na epekto na nauugnay sa napakalakas na pakikipag-ugnayan sa larangan ng liwanag.
Ang programa ng XCELS ay iminungkahi noong 2011 na may unang layunin na makamit ang pinakamataas na kapangyarihanlaserpulse output ng 200 PW, na kasalukuyang na-upgrade sa 600 PW. Nitosistema ng laserumaasa sa tatlong pangunahing teknolohiya:
(1) Ginagamit ang teknolohiyang Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) sa halip na tradisyonal na Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknolohiya;
(2) Gamit ang DKDP bilang gain medium, ang ultra wideband phase matching ay natanto malapit sa 910 nm wavelength;
(3) Ang isang malaking aperture na neodymium glass laser na may lakas ng pulso na libu-libong joules ay ginagamit upang mag-pump ng isang parametric amplifier.
Ang ultra-wideband phase matching ay malawakang matatagpuan sa maraming kristal at ginagamit sa OPCPA femtosecond lasers. Ang mga kristal ng DKDP ay ginagamit dahil ang mga ito lamang ang materyal na matatagpuan sa pagsasanay na maaaring lumaki sa sampu-sampung sentimetro ng siwang at sa parehong oras ay may mga katanggap-tanggap na optical na katangian upang suportahan ang amplification ng multi-PW powermga laser. Napag-alaman na kapag ang kristal ng DKDP ay pumped ng double frequency light ng ND glass laser, kung ang carrier wavelength ng amplified pulse ay 910 nm, ang unang tatlong termino ng Taylor expansion ng wave vector mismatch ay 0.
Ang Figure 1 ay isang eskematiko na layout ng XCELS laser system. Ang front end ay nakabuo ng chirped femtosecond pulses na may gitnang wavelength na 910 nm (1.3 sa Figure 1) at 1054 nm nanosecond pulses na na-injected sa OPCPA pumped laser (1.1 at 1.2 sa Figure 1). Tinitiyak din ng front end ang pag-synchronize ng mga pulso na ito pati na rin ang kinakailangang mga parameter ng enerhiya at spatiotemporal. Ang isang intermediate na OPCPA na tumatakbo sa isang mas mataas na rate ng pag-uulit (1 Hz) ay nagpapalaki sa chirped pulse sa sampu-sampung joules (2 sa Figure 1). Ang pulso ay higit na pinalakas ng Booster OPCPA sa isang solong kilojoule beam at nahahati sa 12 magkaparehong mga sub-beam (4 sa Figure 1). Sa huling 12 OPCPA, ang bawat isa sa 12 chirped light pulse ay pinalaki sa antas ng kilojoule (5 sa Figure 1) at pagkatapos ay i-compress ng 12 compression gratings (GC ng 6 sa Figure 1). Ang acousto-optic na programmable dispersion filter ay ginagamit sa front end para tumpak na kontrolin ang group velocity dispersion at high order dispersion, upang makuha ang pinakamaliit na posibleng lapad ng pulso. Ang pulse spectrum ay may hugis na halos 12th-order supergauss, at ang spectral bandwidth sa 1% ng maximum na halaga ay 150 nm, na tumutugma sa Fourier transform limit pulse width na 17 fs. Isinasaalang-alang ang hindi kumpletong dispersion compensation at ang kahirapan ng nonlinear phase compensation sa parametric amplifier, ang inaasahang lapad ng pulso ay 20 fs.
Ang XCELS laser ay gagamit ng dalawang 8-channel na UFL-2M neodymium glass laser frequency doubling modules (3 sa Figure 1), kung saan 13 channel ang gagamitin para i-pump ang Booster OPCPA at 12 huling OPCPA. Ang natitirang tatlong channel ay gagamitin bilang independent nanosecond kilojoule pulsedmga mapagkukunan ng laserpara sa iba pang mga eksperimento. Limitado ng optical breakdown threshold ng mga kristal ng DKDP, ang intensity ng irradiation ng pumped pulse ay nakatakda sa 1.5 GW/cm2 para sa bawat channel at ang tagal ay 3.5 ns.
Ang bawat channel ng XCELS laser ay gumagawa ng mga pulso na may lakas na 50 PW. Isang kabuuang 12 channel ang nagbibigay ng kabuuang lakas ng output na 600 PW. Sa pangunahing target na kamara, ang maximum na intensity ng pagtutok ng bawat channel sa ilalim ng mga ideal na kondisyon ay 0.44×1025 W/cm2, sa pag-aakalang F/1 na mga elementong tumututok ay ginagamit para sa pagtutok. Kung ang pulso ng bawat channel ay higit pang i-compress sa 2.6 fs sa pamamagitan ng post-compression technique, ang katumbas na output pulse power ay tataas sa 230 PW, na tumutugma sa light intensity na 2.0×1025 W/cm2.
Upang makamit ang mas mataas na intensity ng liwanag, sa 600 PW na output, ang mga light pulse sa 12 channel ay itutuon sa geometry ng inverse dipole radiation, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Kapag ang pulse phase sa bawat channel ay hindi naka-lock, ang focus intensity ay maaaring umabot sa 9×1025 W/cm2. Kung ang bawat yugto ng pulso ay naka-lock at naka-synchronize, ang magkakaugnay na resultang intensity ng liwanag ay tataas sa 3.2 × 1026 W/cm2. Bilang karagdagan sa pangunahing target na silid, ang proyekto ng XCELS ay may kasamang hanggang 10 mga laboratoryo ng gumagamit, bawat isa ay tumatanggap ng isa o higit pang mga beam para sa mga eksperimento. Gamit ang napakalakas na light field na ito, plano ng proyekto ng XCELS na magsagawa ng mga eksperimento sa apat na kategorya: mga proseso ng quantum electrodynamics sa matinding laser field; Ang paggawa at pagpapabilis ng mga particle; Ang henerasyon ng pangalawang electromagnetic radiation; Laboratory astrophysics, mga proseso ng high energy density at diagnostic research.
FIG. 2 Pagtuon ng geometry sa pangunahing target na silid. Para sa kalinawan, ang parabolic mirror ng beam 6 ay nakatakda sa transparent, at ang input at output beam ay nagpapakita lamang ng dalawang channel 1 at 7
Ipinapakita ng Figure 3 ang spatial na layout ng bawat functional area ng XCELS laser system sa eksperimentong gusali. Matatagpuan sa basement ang kuryente, vacuum pump, water treatment, purification at air conditioning. Ang kabuuang lugar ng konstruksyon ay higit sa 24,000 m2. Ang kabuuang paggamit ng kuryente ay humigit-kumulang 7.5 MW. Ang pang-eksperimentong gusali ay binubuo ng isang panloob na guwang na pangkalahatang frame at isang panlabas na seksyon, bawat isa ay binuo sa dalawang decoupled na pundasyon. Ang vacuum at iba pang mga vibration-inducing system ay naka-install sa vibration-isolated foundation, upang ang amplitude ng disturbance na ipinadala sa laser system sa pamamagitan ng foundation at suporta ay nabawasan sa mas mababa sa 10-10 g2/Hz sa frequency range ng 1-200 Hz. Bilang karagdagan, ang isang network ng mga geodesic reference marker ay naka-set up sa laser hall upang sistematikong subaybayan ang drift ng lupa at kagamitan.
Ang proyekto ng XCELS ay naglalayong lumikha ng isang malaking pasilidad ng siyentipikong pananaliksik batay sa napakataas na peak power lasers. Ang isang channel ng XCELS laser system ay maaaring magbigay ng nakatutok na intensity ng liwanag nang ilang beses na mas mataas kaysa sa 1024 W/cm2, na maaaring higit pang lampasan ng 1025 W/cm2 gamit ang post-compression na teknolohiya. Sa pamamagitan ng dipole-focusing pulses mula sa 12 channel sa laser system, ang intensity na malapit sa 1026 W/cm2 ay maaaring makamit kahit na walang post-compression at phase locking. Kung ang phase synchronization sa pagitan ng mga channel ay naka-lock, ang intensity ng liwanag ay tataas ng ilang beses. Gamit ang mga record-breaking na pulse intensity at ang multi-channel beam layout, ang pasilidad ng XCELS sa hinaharap ay makakapagsagawa ng mga eksperimento na may napakataas na intensity, kumplikadong pamamahagi ng light field, at mag-diagnose ng mga pakikipag-ugnayan gamit ang mga multi-channel laser beam at pangalawang radiation. Ito ay gaganap ng kakaibang papel sa larangan ng super-strong electromagnetic field experimental physics.
Oras ng post: Mar-26-2024