Bubar iki, Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia ngenalake Pusat Studi Cahya Ekstrim eXawatt (XCELS), program riset kanggo piranti ilmiah gedhe adhedhasar piranti sing luar biasa.laser daya dhuwurProyek iki kalebu pambangunan singlaser daya dhuwuradhedhasar teknologi amplifikasi pulsa chirped parametrik optik ing kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, rumus kimia KD2PO4) aperture gedhe, kanthi output total sing diarepake yaiku pulsa daya puncak 600 PW. Karya iki nyedhiyakake rincian penting lan temuan riset babagan proyek XCELS lan sistem laser, sing nggambarake aplikasi lan dampak potensial sing ana gandhengane karo interaksi medan cahya ultra-kuat.
Program XCELS diusulake ing taun 2011 kanthi tujuan awal kanggo nggayuh daya puncaklaseroutput pulsa 200 PW, sing saiki diupgrade dadi 600 PW.sistem lasergumantung marang telung teknologi utama:
(1) Teknologi Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) digunakake tinimbang teknologi Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) tradisional;
(2) Nggunakake DKDP minangka medium gain, pencocokan fase ultra wideband direalisasikake cedhak dawa gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium aperture gedhe kanthi energi pulsa ewonan joule digunakake kanggo mompa amplifier parametrik.
Pencocokan fase ultra-wideband akeh ditemokake ing akeh kristal lan digunakake ing laser femtosecond OPCPA. Kristal DKDP digunakake amarga iki minangka siji-sijine bahan sing ditemokake ing praktik sing bisa ditumbuhake nganti puluhan sentimeter aperture lan ing wektu sing padha duwe kualitas optik sing bisa ditampa kanggo ndhukung amplifikasi daya multi-PW.laserDitemokake yen nalika kristal DKDP dipompa dening cahya frekuensi ganda saka laser kaca ND, yen dawa gelombang pembawa saka pulsa sing dikuatake yaiku 910 nm, telung suku pertama saka ekspansi Taylor saka ketidakcocokan vektor gelombang yaiku 0.
Gambar 1 minangka tata letak skematis sistem laser XCELS. Bagian ngarep ngasilake pulsa femtosecond chirped kanthi dawa gelombang pusat 910 nm (1,3 ing Gambar 1) lan pulsa nanosecond 1054 nm sing diinjeksi menyang laser sing dipompa OPCPA (1,1 lan 1,2 ing Gambar 1). Bagian ngarep uga njamin sinkronisasi pulsa kasebut uga parameter energi lan spatiotemporal sing dibutuhake. OPCPA perantara sing beroperasi kanthi tingkat pengulangan sing luwih dhuwur (1 Hz) nguatake pulsa chirped nganti puluhan joule (2 ing Gambar 1). Pulsa kasebut luwih dikuatake dening Booster OPCPA dadi sinar kilojoule tunggal lan dipérang dadi 12 sub-sinar sing identik (4 ing Gambar 1). Ing 12 OPCPA pungkasan, saben 12 pulsa cahya chirped dikuatake nganti tingkat kilojoule (5 ing Gambar 1) banjur dikompres dening 12 kisi kompresi (GC saka 6 ing Gambar 1). Filter dispersi sing bisa diprogram akusto-optik digunakake ing sisih ngarep kanggo ngontrol dispersi kecepatan grup lan dispersi orde dhuwur kanthi tepat, supaya bisa entuk jembar pulsa paling cilik. Spektrum pulsa nduweni bentuk meh supergauss orde kaping 12, lan bandwidth spektral ing 1% saka nilai maksimal yaiku 150 nm, sing cocog karo jembar pulsa watesan transformasi Fourier 17 fs. Ngelingi kompensasi dispersi sing ora lengkap lan kangelan kompensasi fase nonlinier ing amplifier parametrik, jembar pulsa sing diarepake yaiku 20 fs.
Laser XCELS bakal nggunakake rong modul penggandaan frekuensi laser kaca neodymium UFL-2M 8-kanal (3 ing Gambar 1), sing 13 saluran bakal digunakake kanggo mompa Booster OPCPA lan 12 OPCPA pungkasan. Telung saluran liyane bakal digunakake minangka nanodetik kilojoule pulsa independen.sumber laserkanggo eksperimen liyane. Diwatesi dening ambang kerusakan optik kristal DKDP, intensitas iradiasi pulsa sing dipompa disetel dadi 1,5 GW/cm2 kanggo saben saluran lan durasine yaiku 3,5 ns.
Saben saluran laser XCELS ngasilake pulsa kanthi daya 50 PW. Total 12 saluran nyedhiyakake daya output total 600 PW. Ing ruang target utama, intensitas fokus maksimum saben saluran ing kondisi ideal yaiku 0,44 × 1025 W / cm2, kanthi nganggep elemen fokus F / 1 digunakake kanggo fokus. Yen pulsa saben saluran dikompres luwih lanjut dadi 2,6 fs kanthi teknik pasca-kompresi, daya pulsa output sing cocog bakal ditambah dadi 230 PW, sing cocog karo intensitas cahya 2,0 × 1025 W / cm2.
Kanggo entuk intensitas cahya sing luwih gedhe, kanthi output 600 PW, pulsa cahya ing 12 saluran bakal difokusake ing geometri radiasi dipol inversi, kaya sing dituduhake ing Gambar 2. Nalika fase pulsa ing saben saluran ora dikunci, intensitas fokus bisa tekan 9 × 1025 W / cm2. Yen saben fase pulsa dikunci lan disinkronake, intensitas cahya sing diasilake koheren bakal ditambah dadi 3,2 × 1026 W / cm2. Saliyane ruang target utama, proyek XCELS kalebu nganti 10 laboratorium pangguna, saben nampa siji utawa luwih sinar kanggo eksperimen. Nggunakake medan cahya sing kuwat banget iki, proyek XCELS ngrencanakake kanggo nindakake eksperimen ing patang kategori: proses elektrodinamika kuantum ing medan laser sing kuat; Produksi lan akselerasi partikel; Pembangkitan radiasi elektromagnetik sekunder; Astrofisika laboratorium, proses kapadhetan energi dhuwur lan riset diagnostik.
Gambar 2 Geometri fokus ing ruang target utama. Kanggo kajelasan, pangilon parabola saka sinar 6 disetel dadi transparan, lan sinar input lan output mung nuduhake rong saluran 1 lan 7
Gambar 3 nuduhake tata letak spasial saben area fungsional sistem laser XCELS ing bangunan eksperimen. Listrik, pompa vakum, pangolahan banyu, pemurnian, lan AC dumunung ing ruang bawah tanah. Total area konstruksi luwih saka 24.000 m2. Total konsumsi daya kira-kira 7,5 MW. Bangunan eksperimen kasusun saka pigura sakabèhé berongga internal lan bagean njaba, saben dibangun ing rong pondasi sing dipisahake. Sistem vakum lan sistem pemicu getaran liyane dipasang ing pondasi sing diisolasi getaran, supaya amplitudo gangguan sing ditularake menyang sistem laser liwat pondasi lan dhukungan dikurangi dadi kurang saka 10-10 g2/Hz ing kisaran frekuensi 1-200 Hz. Kajaba iku, jaringan penanda referensi geodesik dipasang ing aula laser kanggo ngawasi kanthi sistematis penyimpangan lemah lan peralatan.
Proyek XCELS iki nduweni tujuan kanggo nggawe fasilitas riset ilmiah gedhe adhedhasar laser kanthi daya puncak sing dhuwur banget. Siji saluran sistem laser XCELS bisa nyedhiyakake intensitas cahya sing fokus kaping pirang-pirang luwih dhuwur tinimbang 1024 W/cm2, sing bisa diluwihi maneh nganti 1025 W/cm2 nganggo teknologi pasca-kompresi. Kanthi pulsa fokus dipol saka 12 saluran ing sistem laser, intensitas sing cedhak karo 1026 W/cm2 bisa digayuh sanajan tanpa pasca-kompresi lan penguncian fase. Yen sinkronisasi fase antarane saluran dikunci, intensitas cahya bakal kaping pirang-pirang luwih dhuwur. Nggunakake intensitas pulsa sing mecah rekor iki lan tata letak sinar multi-saluran, fasilitas XCELS ing mangsa ngarep bakal bisa nindakake eksperimen kanthi intensitas sing dhuwur banget, distribusi medan cahya sing kompleks, lan diagnosa interaksi nggunakake sinar laser multi-saluran lan radiasi sekunder. Iki bakal nduweni peran unik ing bidang fisika eksperimen medan elektromagnetik super kuat.
Wektu kiriman: 26 Maret 2024