ცოტა ხნის წინ, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის გამოყენებითი ფიზიკის ინსტიტუტმა წარმოადგინა eXawatt ცენტრი ექსტრემალური სინათლის კვლევისთვის (XCELS), კვლევითი პროგრამა დიდი სამეცნიერო მოწყობილობებისთვის, რომელიც დაფუძნებულია უკიდურესად.მაღალი სიმძლავრის ლაზერები. პროექტი მოიცავს მშენებლობას ძალიანმაღალი სიმძლავრის ლაზერიეფუძნება ოპტიკური პარამეტრული ჩირქოვანი პულსის გაძლიერების ტექნოლოგიას დიდი დიაფრაგმის კალიუმის დიდეუტერიუმის ფოსფატის (DKDP, ქიმიური ფორმულა KD2PO4) კრისტალებში, მოსალოდნელი ჯამური გამომავალი 600 PW პიკური სიმძლავრის იმპულსებით. ეს ნაშრომი გვაწვდის მნიშვნელოვან დეტალებს და კვლევის შედეგებს XCELS პროექტისა და მისი ლაზერული სისტემების შესახებ, აღწერს აპლიკაციებსა და პოტენციურ ზემოქმედებებს, რომლებიც დაკავშირებულია ულტრა ძლიერი სინათლის ველის ურთიერთქმედებებთან.
XCELS პროგრამა შემოთავაზებული იქნა 2011 წელს, რომლის საწყისი მიზანი იყო მაქსიმალური სიმძლავრის მიღწევალაზერულიპულსის სიმძლავრე 200 PW, რომელიც ამჟამად განახლებულია 600 PW-მდე. მისილაზერული სისტემაეყრდნობა სამ ძირითად ტექნოლოგიას:
(1) ოპტიკური პარამეტრიული პულსის გამაძლიერებელი (OPCPA) ტექნოლოგია გამოიყენება ტრადიციული პულსის გამაძლიერებლის ნაცვლად (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) ტექნოლოგია;
(2) DKDP-ის გამოყენებით, როგორც გამაძლიერებელი საშუალება, ულტრა ფართოზოლოვანი ფაზის შესატყვისი რეალიზდება 910 ნმ ტალღის სიგრძის მახლობლად;
(3) დიდი დიაფრაგმის ნეოდიმის შუშის ლაზერი ათასობით ჯოულის პულსის ენერგიით გამოიყენება პარამეტრული გამაძლიერებლის სატუმბით.
ულტრაფართოზოლიანი ფაზის შესატყვისი ფართოდ არის ნაპოვნი ბევრ კრისტალში და გამოიყენება OPCPA ფემტოწამის ლაზერებში. DKDP კრისტალები გამოიყენება, რადგან ისინი პრაქტიკაში ნაპოვნი ერთადერთი მასალაა, რომელიც შეიძლება გაიზარდოს ათეულ სანტიმეტრამდე დიაფრაგმამდე და ამავე დროს აქვს მისაღები ოპტიკური თვისებები მრავალ PW სიმძლავრის გაძლიერების მხარდასაჭერად.ლაზერები. აღმოჩნდა, რომ როდესაც DKDP კრისტალს ატუმბავს ND შუშის ლაზერის ორმაგი სიხშირის შუქი, თუ გაძლიერებული პულსის გადამზიდავი ტალღის სიგრძეა 910 ნმ, ტალღის ვექტორის შეუსაბამობის ტეილორის გაფართოების პირველი სამი წევრი არის 0.
სურათი 1 არის XCELS ლაზერული სისტემის სქემატური განლაგება. წინა ბოლო წარმოქმნის ჩირქოვან ფემტოწამულ პულსებს ცენტრალური ტალღის სიგრძით 910 ნმ (1.3 ნახატ 1-ში) და 1054 ნმ ნანოწამიანი პულსებით, რომლებიც შეყვანილია OPCPA ტუმბოებულ ლაზერში (1.1 და 1.2 ნახატ 1-ში). წინა ნაწილი ასევე უზრუნველყოფს ამ იმპულსების სინქრონიზაციას, ასევე საჭირო ენერგეტიკულ და სივრცითი-დროის პარამეტრებს. შუალედური OPCPA, რომელიც მუშაობს გამეორების უფრო მაღალი სიხშირით (1 ჰც) აძლიერებს ჩირქოვან პულსს ათეულ ჯოულამდე (2 ნახატ 1-ში). პულსი კიდევ უფრო გაძლიერებულია Booster OPCPA-ით ერთ კილოჯოულ სხივად და იყოფა 12 იდენტურ ქვესხივად (4 სურათზე 1). ბოლო 12 OPCPA-ში, თითოეული 12 ჩირქოვანი სინათლის იმპულსიდან გაძლიერებულია კილოჯოულის დონემდე (5 ნახატ 1-ში) და შემდეგ შეკუმშულია 12 შეკუმშვის ბადეებით (GC 6-დან სურათზე 1). აკუსტო-ოპტიკური პროგრამირებადი დისპერსიული ფილტრი გამოიყენება წინა ბოლოში ჯგუფის სიჩქარის დისპერსიისა და მაღალი რიგის დისპერსიის ზუსტად გასაკონტროლებლად, რათა მივიღოთ პულსის ყველაზე მცირე სიგანე. პულსის სპექტრს აქვს თითქმის მე-12 რიგის სუპერგაუსის ფორმა, ხოლო სპექტრული გამტარობა მაქსიმალური მნიშვნელობის 1%-ზე არის 150 ნმ, რაც შეესაბამება ფურიეს ტრანსფორმაციის ლიმიტის პულსის სიგანეს 17 fs. არასრული დისპერსიის კომპენსაციის და პარამეტრულ გამაძლიერებლებში არაწრფივი ფაზის კომპენსაციის სირთულის გათვალისწინებით, პულსის სავარაუდო სიგანე არის 20 fs.
XCELS ლაზერი გამოიყენებს ორ 8-არხიან UFL-2M ნეოდიმი მინის ლაზერის სიხშირის გაორმაგების მოდულს (3 სურათზე 1), რომელთაგან 13 არხი გამოყენებული იქნება Booster OPCPA-ს და 12 საბოლოო OPCPA. დანარჩენი სამი არხი გამოყენებული იქნება როგორც დამოუკიდებელი ნანოწამიანი კილოჯოული პულსილაზერული წყაროებისხვა ექსპერიმენტებისთვის. შეზღუდულია DKDP კრისტალების ოპტიკური დაშლის ზღურბლით, დატუმბული პულსის დასხივების ინტენსივობა დაყენებულია 1,5 გვტ/სმ2-ზე თითოეული არხისთვის და ხანგრძლივობა არის 3,5 ns.
XCELS ლაზერის თითოეული არხი აწარმოებს იმპულსებს 50 PW სიმძლავრით. სულ 12 არხი უზრუნველყოფს საერთო გამომავალი სიმძლავრეს 600 PW. მთავარ სამიზნე კამერაში, თითოეული არხის მაქსიმალური ფოკუსირების ინტენსივობა იდეალურ პირობებში არის 0.44×1025 W/cm2, თუ ვივარაუდებთ, რომ F/1 ფოკუსირების ელემენტები გამოიყენება ფოკუსირებისთვის. თუ შემდგომი შეკუმშვის ტექნიკით ყოველი არხის პულსი შეკუმშულია 2,6 fs-მდე, შესაბამისი გამომავალი პულსის სიმძლავრე გაიზრდება 230 PW-მდე, რაც შეესაბამება სინათლის ინტენსივობას 2,0×1025 W/cm2.
უფრო დიდი სინათლის ინტენსივობის მისაღწევად, 600 PW გამომავალზე, 12 არხში სინათლის იმპულსები ფოკუსირებული იქნება შებრუნებული დიპოლური გამოსხივების გეომეტრიაში, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2. როდესაც პულსის ფაზა თითოეულ არხში არ არის ჩაკეტილი, ფოკუსის ინტენსივობა შეიძლება მიაღწიეთ 9×1025 W/cm2. თუ თითოეული პულსის ფაზა ჩაკეტილია და სინქრონიზებულია, თანმიმდევრული შედეგიანი 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 წარმოება და აჩქარება; მეორადი ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წარმოქმნა; ლაბორატორიული ასტროფიზიკა, მაღალი ენერგიის სიმკვრივის პროცესები და დიაგნოსტიკური კვლევა.
ნახ. 2 გეომეტრიის ფოკუსირება მთავარ სამიზნე კამერაში. სიცხადისთვის, მე-6 სხივის პარაბოლური სარკე დაყენებულია გამჭვირვალეზე, ხოლო შემავალი და გამომავალი სხივები აჩვენებს მხოლოდ ორ არხს 1 და 7.
სურათი 3 გვიჩვენებს XCELS ლაზერული სისტემის თითოეული ფუნქციური არეალის სივრცულ განლაგებას ექსპერიმენტულ შენობაში. სარდაფში განთავსებულია ელექტროენერგია, ვაკუუმის ტუმბოები, წყლის გამწმენდი, გამწმენდი და კონდიციონერი. საერთო სამშენებლო ფართობი 24000 მ2-ზე მეტია. საერთო ენერგომოხმარება დაახლოებით 7,5 მეგავატია. ექსპერიმენტული შენობა შედგება შიდა ღრუ მთლიანი ჩარჩოსა და გარე განყოფილებისგან, თითოეული აგებულია ორ განცალკევებულ საძირკველზე. ვაკუუმი და ვიბრაციის გამომწვევი სხვა სისტემები დამონტაჟებულია ვიბრაციით იზოლირებულ საძირკველზე, ისე, რომ ლაზერულ სისტემაში საძირკვლისა და საყრდენის მეშვეობით გადაცემული დარღვევის ამპლიტუდა მცირდება 10-10 გ2/ჰც-ზე ნაკლებ სიხშირის დიაპაზონში. 1-200 ჰც. გარდა ამისა, ლაზერულ დარბაზში შეიქმნა გეოდეზიური საცნობარო მარკერების ქსელი, რომელიც სისტემატურად აკონტროლებს მიწისა და აღჭურვილობის დრიფტს.
XCELS პროექტი მიზნად ისახავს შექმნას დიდი სამეცნიერო კვლევითი ობიექტი, რომელიც დაფუძნებულია უკიდურესად მაღალი სიმძლავრის ლაზერებზე. XCELS ლაზერული სისტემის ერთმა არხმა შეიძლება უზრუნველყოს ფოკუსირებული სინათლის ინტენსივობა რამდენჯერმე აღემატება 1024 ვტ/სმ2-ს, რაც შეიძლება შემდგომ გადააჭარბოს 1025 ვტ/სმ2-ით პოსტ-შეკუმშვის ტექნოლოგიით. ლაზერული სისტემის 12 არხიდან დიპოლზე ფოკუსირებული იმპულსებით, ინტენსივობა 1026 ვტ/სმ2-მდე მიიღწევა შემდგომი შეკუმშვისა და ფაზური ჩაკეტვის გარეშეც. თუ არხებს შორის ფაზის სინქრონიზაცია ჩაკეტილია, სინათლის ინტენსივობა რამდენჯერმე მეტი იქნება. ამ რეკორდული პულსის ინტენსივობებისა და მრავალარხიანი სხივის განლაგების გამოყენებით, მომავალი XCELS დაწესებულება შეძლებს ექსპერიმენტების ჩატარებას უკიდურესად მაღალი ინტენსივობით, სინათლის ველის რთული განაწილებით და ურთიერთქმედებების დიაგნოსტირებას მრავალარხიანი ლაზერის სხივებისა და მეორადი გამოსხივების გამოყენებით. ეს უნიკალურ როლს ითამაშებს სუპერ ძლიერი ელექტრომაგნიტური ველის ექსპერიმენტულ ფიზიკაში.
გამოქვეყნების დრო: მარ-26-2024