Kamakailan lamang, 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 siyentipikong aparato batay sa labis namga laser na may mataas na kapangyarihanKasama sa proyekto ang pagtatayo ng isang napakamataas na lakas na laserBatay sa teknolohiyang optical parametric chirped pulse amplification sa malalaking aperture na potassium dideuterium phosphate (DKDP, chemical formula KD2PO4) crystals, 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 proyektong XCELS at mga laser system nito, na naglalarawan ng mga aplikasyon at potensyal na epekto na may kaugnayan sa mga ultra-strong light field interaction.
Ang programang XCELS ay iminungkahi noong 2011 na may paunang layunin na makamit ang isang pinakamataas na antas ng kapangyarihanlaserpulse output na 200 PW, na kasalukuyang na-upgrade sa 600 PW. Nitosistema ng laserumaasa sa tatlong pangunahing teknolohiya:
(1) Ang teknolohiyang Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) ay ginagamit sa halip na ang tradisyonal na Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) na teknolohiya;
(2) Gamit ang DKDP bilang gain medium, ang ultra wideband phase matching ay naisasagawa malapit sa 910 nm wavelength;
(3) Isang malaking butas na neodymium glass laser na may pulse energy na libu-libong joules ang ginagamit upang magbomba ng isang parametric amplifier.
Ang ultra-wideband phase matching ay malawakang matatagpuan sa maraming kristal at ginagamit sa mga OPCPA femtosecond laser. Ginagamit ang mga kristal na DKDP dahil ang mga ito lamang ang materyal na matatagpuan sa pagsasagawa na maaaring lumaki hanggang sampu-sampung sentimetro ng aperture at kasabay nito ay may katanggap-tanggap na mga katangiang optikal upang suportahan ang amplification ng multi-PW power.mga laserNatuklasan na kapag ang kristal na DKDP ay binomba ng double frequency light ng ND glass laser, kung ang carrier wavelength ng pinalakas na pulse ay 910 nm, ang unang tatlong termino ng Taylor expansion ng wave vector mismatch ay 0.
Ang Figure 1 ay isang eskematikong layout ng XCELS laser system. Ang front end ay nakabuo ng mga chirped femtosecond pulse na may central wavelength na 910 nm (1.3 sa Figure 1) at 1054 nm nanosecond pulse na ini-inject sa OPCPA pumped laser (1.1 at 1.2 sa Figure 1). Tinitiyak din ng front end ang synchronization ng mga pulse na ito pati na rin ang kinakailangang enerhiya at spatiotemporal parameters. Ang isang intermediate OPCPA na gumagana sa mas mataas na repetition rate (1 Hz) ay nagpapalakas sa chirped pulse sa sampu-sampung joules (2 sa Figure 1). Ang pulse ay lalong pinapalakas ng Booster OPCPA sa isang single kilojoule beam at hinati sa 12 magkaparehong sub-beams (4 sa Figure 1). Sa huling 12 OPCPA, ang bawat isa sa 12 chirped light pulse ay pinapalakas sa antas ng kilojoule (5 sa Figure 1) at pagkatapos ay kino-compress ng 12 compression gratings (GC na 6 sa Figure 1). Ang acousto-optic programmable dispersion filter ay ginagamit sa front end upang tumpak na makontrol ang group velocity dispersion at high order dispersion, upang makuha ang pinakamaliit na posibleng pulse width. Ang pulse spectrum ay may hugis na halos ika-12 order na 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. Kung isasaalang-alang ang incomplete dispersion compensation at ang kahirapan ng nonlinear phase compensation sa mga parametric amplifier, ang inaasahang pulse width ay 20 fs.
Ang XCELS laser ay gagamit ng dalawang 8-channel UFL-2M neodymium glass laser frequency doubling modules (3 sa Figure 1), kung saan 13 channels ang gagamitin upang i-pump ang Booster OPCPA at 12 final OPCPA. Ang natitirang tatlong channels ay gagamitin bilang independent nanosecond kilojoule pulsed.mga pinagmumulan ng laserpara sa iba pang mga eksperimento. Nililimitahan 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 lumilikha ng mga pulso na may lakas na 50 PW. Ang kabuuang 12 channel ay nagbibigay ng kabuuang lakas na output na 600 PW. Sa pangunahing target chamber, ang pinakamataas na intensidad ng pagpo-focus ng bawat channel sa ilalim ng mga ideal na kondisyon ay 0.44×1025 W/cm2, sa pag-aakalang ang mga elemento ng pagpo-focus na F/1 ay ginagamit para sa pagpo-focus. Kung ang pulso ng bawat channel ay higit pang iko-compress sa 2.6 fs sa pamamagitan ng post-compression technique, ang katumbas na lakas ng pulso ng output ay tataas sa 230 PW, na katumbas ng intensidad ng liwanag na 2.0×1025 W/cm2.
Upang makamit ang mas matinding tindi ng liwanag, sa 600 PW na output, ang mga pulso ng liwanag sa 12 channel ay itutuon sa geometry ng inverse dipole radiation, gaya 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 pulse phase ay naka-lock at naka-synchronize, ang coherent resultant light intensity ay tataas sa 3.2×1026 W/cm2. Bilang karagdagan sa pangunahing target room, ang proyektong XCELS ay may kasamang hanggang 10 user laboratories, na bawat isa ay tumatanggap ng isa o higit pang mga sinag para sa mga eksperimento. Gamit ang napakalakas na light field na ito, plano ng proyektong XCELS na magsagawa ng mga eksperimento sa apat na kategorya: mga proseso ng quantum electrodynamics sa matinding laser fields; Ang produksyon at acceleration ng mga particle; Ang pagbuo ng secondary electromagnetic radiation; Laboratory astrophysics, mga proseso ng high energy density at diagnostic research.
FIG. 2 Geometry ng pagpo-focus sa pangunahing target chamber. Para sa kalinawan, ang parabolic mirror ng beam 6 ay nakatakda sa transparent, at ang input at output beams ay nagpapakita lamang ng dalawang channel 1 at 7.
Ipinapakita ng Figure 3 ang spatial layout ng bawat functional area ng XCELS laser system sa experimental building. Ang kuryente, vacuum pump, water treatment, purification, at air conditioning ay matatagpuan sa basement. Ang kabuuang construction area ay mahigit 24,000 m2. Ang kabuuang konsumo ng kuryente ay humigit-kumulang 7.5 MW. Ang experimental building ay binubuo ng internal hollow overall frame at external section, na bawat isa ay itinayo sa dalawang decoupled foundations. Ang vacuum at iba pang vibration-inducing system ay naka-install sa vibration-isolated foundation, kaya ang amplitude ng disturbance na ipinapadala sa laser system sa pamamagitan ng foundation at support ay nababawasan sa mas mababa sa 10-10 g2/Hz sa frequency range na 1-200 Hz. Bukod pa rito, isang network ng geodesic reference markers ang naka-set up sa laser hall upang sistematikong masubaybayan ang drift ng lupa at kagamitan.
Nilalayon ng proyektong XCELS na lumikha ng isang malaking pasilidad sa pananaliksik na siyentipiko batay sa mga laser na may napakataas na peak power. Ang isang channel ng XCELS laser system ay maaaring magbigay ng nakatutok na intensidad ng liwanag na ilang beses na mas mataas kaysa sa 1024 W/cm2, na maaaring higit pang malampasan ng 1025 W/cm2 gamit ang teknolohiyang post-compression. Sa pamamagitan ng dipole-focusing pulses mula sa 12 channel sa laser system, makakamit ang isang intensidad na malapit sa 1026 W/cm2 kahit na walang post-compression at phase locking. Kung naka-lock ang phase synchronization sa pagitan ng mga channel, ang intensidad ng liwanag ay ilang beses na mas mataas. Gamit ang mga record-breaking pulse intensities at ang multi-channel beam layout, ang pasilidad ng XCELS sa hinaharap ay makakagawa ng mga eksperimento na may napakataas na intensidad, kumplikadong distribusyon ng light field, at makakapag-diagnose ng mga interaksyon gamit ang multi-channel laser beams at secondary radiation. Gagampanan nito ang isang natatanging papel sa larangan ng super-strong electromagnetic field experimental physics.
Oras ng pag-post: Mar-26-2024