ცოტა ხნის წინ, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის გამოყენებითი ფიზიკის ინსტიტუტმა წარმოადგინა eXawatt-ის ექსტრემალური სინათლის შესწავლის ცენტრი (XCELS), კვლევითი პროგრამა დიდი სამეცნიერო მოწყობილობებისთვის, რომელიც დაფუძნებულია უკიდურესადმაღალი სიმძლავრის ლაზერებიპროექტი მოიცავს ძალიან...მაღალი სიმძლავრის ლაზერიდაფუძნებულია ოპტიკურ-პარამეტრული ჭიკჭიკიანი იმპულსების გაძლიერების ტექნოლოგიაზე დიდი აპერტურის კალიუმის დიდეითერიუმის ფოსფატის (DKDP, ქიმიური ფორმულა KD2PO4) კრისტალებში, 600 PW პიკური სიმძლავრის იმპულსის მოსალოდნელი საერთო გამომავალი სიმძლავრით. ეს ნაშრომი გვაწვდის მნიშვნელოვან დეტალებსა და კვლევის შედეგებს XCELS პროექტისა და მისი ლაზერული სისტემების შესახებ, აღწერს ულტრაძლიერი სინათლის ველის ურთიერთქმედებასთან დაკავშირებულ გამოყენებას და პოტენციურ ზემოქმედებას.
XCELS პროგრამა 2011 წელს იქნა შემოთავაზებული, რომლის საწყისი მიზანი პიკური სიმძლავრის მიღწევა იყო.ლაზერი200 პივოტიანი იმპულსური გამომავალი სიმძლავრე, რომელიც ამჟამად განახლებულია 600 პივოტიანამდე.ლაზერული სისტემასამ ძირითად ტექნოლოგიაზეა დამოკიდებული:
(1) ტრადიციული ჭიკჭიკული პულსური გაძლიერების (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) ნაცვლად გამოიყენება ოპტიკურ-პარამეტრული ჭიკჭიკული პულსური გაძლიერების (OPCPA) ტექნოლოგია. CPA) ტექნოლოგია;
(2) DKDP-ის, როგორც გაძლიერების საშუალების გამოყენებით, ულტრაფართოზოლოვანი ფაზური შესაბამისობა ხორციელდება 910 ნმ ტალღის სიგრძესთან ახლოს;
(3) პარამეტრული გამაძლიერებლის გასატუმბავად გამოიყენება დიდი აპერტურული ნეოდიმიური მინის ლაზერი, რომლის იმპულსური ენერგია ათასობით ჯოულის ტოლია.
ულტრაფართოზოლოვანი ფაზური შესაბამისობა ფართოდ გვხვდება მრავალ კრისტალში და გამოიყენება OPCPA ფემტოწამიან ლაზერებში. DKDP კრისტალები გამოიყენება, რადგან ისინი პრაქტიკაში ნაპოვნი ერთადერთი მასალაა, რომლის გაზრდა შესაძლებელია ათობით სანტიმეტრ დიაფრაგმამდე და ამავე დროს აქვთ მისაღები ოპტიკური თვისებები მრავალჯერადი PW სიმძლავრის გაძლიერების მხარდასაჭერად.ლაზერებიაღმოჩნდა, რომ როდესაც DKDP კრისტალი ND მინის ლაზერის ორმაგი სიხშირის სინათლით იტუმბება, თუ გაძლიერებული იმპულსის მატარებელი ტალღის სიგრძე 910 ნმ-ია, ტალღური ვექტორული შეუსაბამობის ტეილორის გაფართოების პირველი სამი წევრი 0-ის ტოლია.
სურათი 1 წარმოადგენს XCELS ლაზერული სისტემის სქემატურ განლაგებას. წინა მხარე წარმოქმნის ჭიკჭიკებულ ფემტოწამიან იმპულსებს 910 ნმ ცენტრალური ტალღის სიგრძით (1.3 სურათი 1-ში) და 1054 ნმ ნანოწამიან იმპულსებს, რომლებიც შეჰყავთ OPCPA-ს ტუმბოს ლაზერში (1.1 და 1.2 სურათი 1-ში). წინა მხარე ასევე უზრუნველყოფს ამ იმპულსების სინქრონიზაციას, ასევე საჭირო ენერგიისა და სივრცულ-დროითი პარამეტრების უზრუნველყოფას. უფრო მაღალი გამეორების სიხშირით (1 ჰც) მომუშავე შუალედური OPCPA აძლიერებს ჭიკჭიკებულ იმპულსს ათობით ჯოულამდე (2 სურათი 1-ში). იმპულსი შემდგომში ძლიერდება Booster OPCPA-ს მიერ ერთ კილოჯოულის სხივად და იყოფა 12 იდენტურ ქვესხივად (4 სურათი 1-ში). საბოლოო 12 OPCPA-ში, 12 ჭიკჭიკებული სინათლის იმპულსიდან თითოეული ძლიერდება კილოჯოულის დონემდე (5 სურათი 1-ში) და შემდეგ იკუმშება 12 შეკუმშვის ბადით (GC 6 სურათი 1-ში). აკუსტიკურ-ოპტიკური პროგრამირებადი დისპერსიული ფილტრი გამოიყენება წინა ნაწილში ჯგუფური სიჩქარის დისპერსიისა და მაღალი რიგის დისპერსიის ზუსტად სამართავად, რათა მიღწეულ იქნას იმპულსის ყველაზე მცირე შესაძლო სიგანე. იმპულსის სპექტრს აქვს თითქმის მე-12 რიგის სუპერგაუსის ფორმა, ხოლო სპექტრული გამტარობა მაქსიმალური მნიშვნელობის 1%-ზე არის 150 ნმ, რაც შეესაბამება ფურიეს გარდაქმნის ზღვრულ იმპულსის სიგანეს 17 ფ/წმ. არასრული დისპერსიული კომპენსაციისა და პარამეტრულ გამაძლიერებლებში არაწრფივი ფაზური კომპენსაციის სირთულის გათვალისწინებით, მოსალოდნელი იმპულსის სიგანეა 20 ფ/წმ.
XCELS ლაზერი გამოიყენებს ორ 8-არხიან UFL-2M ნეოდიმიური მინის ლაზერულ სიხშირის გაორმაგების მოდულს (3 ნახაზზე 1), რომელთაგან 13 არხი გამოყენებული იქნება Booster OPCPA-ს გამოსატუმბავად და 12 საბოლოო OPCPA-ს გამოსატუმბავად. დარჩენილი სამი არხი გამოყენებული იქნება დამოუკიდებელი ნანოწამიანი კილოჯოულის პულსირების სახით.ლაზერული წყაროებისხვა ექსპერიმენტებისთვის. DKDP კრისტალების ოპტიკური დაშლის ზღურბლით შეზღუდული, გამოტუმბული იმპულსის დასხივების ინტენსივობა თითოეული არხისთვის 1.5 გვტ/სმ2-ზეა დაყენებული და ხანგრძლივობა 3.5 ნს.
XCELS ლაზერის თითოეული არხი წარმოქმნის 50 PW სიმძლავრის იმპულსებს. სულ 12 არხი უზრუნველყოფს 600 PW-ის მთლიან გამომავალ სიმძლავრეს. მთავარ სამიზნე კამერაში, იდეალურ პირობებში, თითოეული არხის მაქსიმალური ფოკუსირების ინტენსივობაა 0.44×1025 W/cm2, იმ ვარაუდით, რომ ფოკუსირებისთვის გამოიყენება F/1 ფოკუსირების ელემენტები. თუ თითოეული არხის იმპულსი შემდგომ შეკუმშვის ტექნიკით შეკუმშული იქნება 2.6 fs-მდე, შესაბამისი გამომავალი იმპულსის სიმძლავრე გაიზრდება 230 PW-მდე, რაც შეესაბამება 2.0×1025 W/cm2 სინათლის ინტენსივობას.
სინათლის უფრო მაღალი ინტენსივობის მისაღწევად, 600 PW გამომავალი სიმძლავრით, 12 არხში სინათლის იმპულსები ფოკუსირებული იქნება ინვერსიული დიპოლური გამოსხივების გეომეტრიაში, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში. როდესაც თითოეულ არხში იმპულსის ფაზა არ არის დაბლოკილი, ფოკუსირების ინტენსივობამ შეიძლება მიაღწიოს 9×1025 W/cm2-ს. თუ თითოეული იმპულსის ფაზა დაბლოკილი და სინქრონიზებულია, შედეგად მიღებული კოჰერენტული სინათლის ინტენსივობა გაიზრდება 3.2×1026 W/cm2-მდე. მთავარი სამიზნე ოთახის გარდა, XCELS პროექტი მოიცავს 10-მდე მომხმარებლის ლაბორატორიას, რომელთაგან თითოეული იღებს ერთ ან მეტ სხივს ექსპერიმენტებისთვის. ამ უკიდურესად ძლიერი სინათლის ველის გამოყენებით, XCELS პროექტი გეგმავს ექსპერიმენტების ჩატარებას ოთხ კატეგორიაში: კვანტური ელექტროდინამიკის პროცესები ინტენსიურ ლაზერულ ველებში; ნაწილაკების წარმოქმნა და აჩქარება; მეორადი ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წარმოქმნა; ლაბორატორიული ასტროფიზიკა, მაღალი ენერგიის სიმკვრივის პროცესები და დიაგნოსტიკური კვლევა.
სურ. 2 ფოკუსირების გეომეტრია მთავარ სამიზნე კამერაში. სიცხადისთვის, სხივი 6-ის პარაბოლური სარკე გამჭვირვალეზეა დაყენებული და შემავალი და გამომავალი სხივები მხოლოდ ორ არხს 1 და 7 აჩვენებს.
სურათი 3 გვიჩვენებს XCELS ლაზერული სისტემის თითოეული ფუნქციური ზონის სივრცულ განლაგებას ექსპერიმენტულ შენობაში. ელექტროენერგია, ვაკუუმური ტუმბოები, წყლის გამწმენდი, გამწმენდი და კონდიცირების სისტემები განლაგებულია სარდაფში. სამშენებლო ფართობის საერთო ფართობი 24,000 მ2-ზე მეტია. ენერგიის საერთო მოხმარება დაახლოებით 7.5 მეგავატია. ექსპერიმენტული შენობა შედგება შიდა ღრუ საერთო ჩარჩოსა და გარე სექციისგან, რომელთაგან თითოეული აგებულია ორ განცალკევებულ საძირკველზე. ვაკუუმური და სხვა ვიბრაციის გამომწვევი სისტემები დამონტაჟებულია ვიბრაციისგან იზოლირებულ საძირკველზე, ისე, რომ ლაზერულ სისტემაზე საძირკვლისა და საყრდენის მეშვეობით გადაცემული დარღვევის ამპლიტუდა შემცირებულია 10-10 გ2/ჰც-ზე ნაკლებამდე 1-200 ჰც სიხშირის დიაპაზონში. გარდა ამისა, ლაზერულ დარბაზში დამონტაჟებულია გეოდეზიური საცნობარო მარკერების ქსელი მიწისა და აღჭურვილობის დრიფტის სისტემატური მონიტორინგისთვის.
XCELS პროექტის მიზანია შექმნას დიდი სამეცნიერო-კვლევითი ობიექტი, რომელიც დაფუძნებული იქნება უკიდურესად მაღალი პიკური სიმძლავრის ლაზერებზე. XCELS ლაზერული სისტემის ერთი არხი უზრუნველყოფს ფოკუსირებული სინათლის ინტენსივობას, რომელიც რამდენჯერმე აღემატება 1024 W/cm2-ს, რომლის გადაჭარბებაც შესაძლებელია 1025 W/cm2-ით პოსტკომპრესიული ტექნოლოგიით. ლაზერული სისტემის 12 არხიდან დიპოლური ფოკუსირების იმპულსებით, შესაძლებელია 1026 W/cm2-თან ახლოს ინტენსივობის მიღწევა პოსტკომპრესიისა და ფაზის ფიქსაციის გარეშეც კი. თუ არხებს შორის ფაზის სინქრონიზაცია ფიქსირდება, სინათლის ინტენსივობა რამდენჯერმე გაიზრდება. ამ რეკორდული იმპულსების ინტენსივობისა და მრავალარხიანი სხივის განლაგების გამოყენებით, მომავალი XCELS ობიექტი შეძლებს ექსპერიმენტების ჩატარებას უკიდურესად მაღალი ინტენსივობით, სინათლის ველის რთული განაწილებით და ურთიერთქმედებების დიაგნოსტირებას მრავალარხიანი ლაზერული სხივებისა და მეორადი გამოსხივების გამოყენებით. ეს უნიკალურ როლს შეასრულებს ზეძლიერი ელექტრომაგნიტური ველის ექსპერიმენტული ფიზიკის სფეროში.
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 26 მარტი