Son zamanlarda, Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü, son derece yüksek hızlı, yüksek frekanslı ışık kaynaklarına dayalı büyük bilimsel cihazlar için bir araştırma programı olan eXawatt Aşırı Işık Çalışmaları Merkezi'ni (XCELS) tanıttı.yüksek güçlü lazerlerProje çok büyük bir binanın inşasını içeriyor.yüksek güçlü lazerBüyük açıklıklı potasyum dideuterium fosfat (DKDP, kimyasal formülü KD2PO4) kristallerinde optik parametrik cıvıltılı darbe amplifikasyon teknolojisine dayanan ve beklenen toplam 600 PW tepe güç darbesi çıkışına sahip bir çalışma. Bu çalışma, XCELS projesi ve lazer sistemleri hakkında önemli ayrıntılar ve araştırma bulguları sunarak, ultra güçlü ışık alanı etkileşimleriyle ilgili uygulamaları ve olası etkileri açıklamaktadır.
XCELS programı, başlangıçta en yüksek güce ulaşma hedefi ile 2011 yılında önerildilazer200 PW'lık darbe çıkışı şu anda 600 PW'a yükseltildi.lazer sistemiüç temel teknolojiye dayanmaktadır:
(1) Geleneksel Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) teknolojisi yerine Optik Parametreli Chirped Pulse Amplification (OPCPA) teknolojisi kullanılır;
(2) Kazanç ortamı olarak DKDP kullanılarak, 910 nm dalga boyu yakınında ultra geniş bant faz uyumu gerçekleştirilir;
(3) Binlerce joule darbe enerjisine sahip büyük açıklıklı bir neodim cam lazer, parametrik bir amplifikatörü pompalamak için kullanılır.
Ultra geniş bantlı faz eşleştirme, birçok kristalde yaygın olarak bulunur ve OPCPA femtosaniye lazerlerde kullanılır. DKDP kristalleri, pratikte onlarca santimetrelik açıklığa kadar büyütülebilen ve aynı zamanda çoklu PW gücünün yükseltilmesini destekleyecek kabul edilebilir optik özelliklere sahip tek malzeme oldukları için kullanılır.lazerlerDKDP kristalinin ND cam lazerin çift frekanslı ışığı ile pompalanması durumunda, yükseltilen darbenin taşıyıcı dalga boyu 910 nm ise, dalga vektörü uyumsuzluğunun Taylor açılımının ilk üç teriminin 0 olduğu bulunmuştur.
Şekil 1, XCELS lazer sisteminin şematik bir düzenidir. Ön uç, merkezi dalga boyu 910 nm olan (Şekil 1'de 1,3) cıvıldayan femtosaniye darbeleri ve OPCPA pompalı lazere enjekte edilen 1054 nm nanosaniye darbeler üretir (Şekil 1'de 1,1 ve 1,2). Ön uç ayrıca bu darbelerin senkronizasyonunu ve gerekli enerji ile uzaysal-zamansal parametreleri sağlar. Daha yüksek bir tekrarlama hızında (1 Hz) çalışan bir ara OPCPA, cıvıldayan darbeyi onlarca joule'a (Şekil 1'de 2) yükseltir. Darbe, Booster OPCPA tarafından tek bir kilojoule ışına yükseltilir ve 12 özdeş alt ışına (Şekil 1'de 4) bölünür. Son 12 OPCPA'da, 12 cıvıldayan ışık darbesinin her biri kilojoule seviyesine yükseltilir (Şekil 1'de 5) ve ardından 12 sıkıştırma ızgarası (Şekil 1'de 6'lık GC) ile sıkıştırılır. Akusto-optik programlanabilir dispersiyon filtresi, mümkün olan en küçük darbe genişliğini elde etmek için grup hızı dispersiyonunu ve yüksek mertebeden dispersiyonunu hassas bir şekilde kontrol etmek üzere ön uçta kullanılır. Darbe spektrumu yaklaşık 12. mertebeden süpergauss şeklindedir ve maksimum değerin %1'indeki spektral bant genişliği 150 nm'dir; bu da 17 fs'lik Fourier dönüşümü sınır darbe genişliğine karşılık gelir. Parametrik amplifikatörlerde dispersiyon telafisinin eksik olması ve doğrusal olmayan faz telafisinin zorluğu göz önüne alındığında, beklenen darbe genişliği 20 fs'dir.
XCELS lazer, iki adet 8 kanallı UFL-2M neodimyum cam lazer frekans iki katına çıkarma modülü (Şekil 1'de 3 adet) kullanacak ve bunlardan 13'ü Booster OPCPA'yı ve 12'si de son OPCPA'yı pompalamak için kullanılacak. Kalan üç kanal ise bağımsız nanosaniye kilojul darbeli olarak kullanılacak.lazer kaynaklarıDiğer deneyler için. DKDP kristallerinin optik bozulma eşiği ile sınırlı olarak, pompalanan darbenin ışınlama yoğunluğu her kanal için 1,5 GW/cm2 olarak ayarlanmıştır ve süresi 3,5 ns'dir.
XCELS lazerinin her kanalı 50 PW gücünde darbeler üretir. Toplam 12 kanal, 600 PW'lık toplam çıkış gücü sağlar. Ana hedef bölmesinde, ideal koşullar altında her kanalın maksimum odaklama yoğunluğu, odaklama için F/1 odaklama elemanlarının kullanıldığı varsayıldığında 0,44×1025 W/cm2'dir. Her kanalın darbesi, sıkıştırma sonrası teknikle 2,6 fs'ye sıkıştırılırsa, karşılık gelen çıkış darbe gücü 230 PW'a, yani 2,0×1025 W/cm2'lik ışık yoğunluğuna yükseltilir.
Daha yüksek ışık yoğunluğuna ulaşmak için, 600 PW çıkışta, 12 kanaldaki ışık darbeleri, Şekil 2'de gösterildiği gibi ters dipol radyasyon geometrisinde odaklanacaktır. Her kanaldaki darbe fazı kilitlenmediğinde, odak yoğunluğu 9×1025 W/cm2'ye ulaşabilir. Her darbe fazı kilitlenip senkronize edilirse, tutarlı sonuç ışık yoğunluğu 3,2×1026 W/cm2'ye çıkarılacaktır. Ana hedef odasına ek olarak, XCELS projesi, her biri deneyler için bir veya daha fazla ışın alan 10'a kadar kullanıcı laboratuvarını içermektedir. Bu son derece güçlü ışık alanını kullanarak, XCELS projesi dört kategoride deneyler gerçekleştirmeyi planlamaktadır: yoğun lazer alanlarında kuantum elektrodinamik süreçleri; Parçacıkların üretimi ve hızlandırılması; İkincil elektromanyetik radyasyonun üretimi; Laboratuvar astrofiziği, yüksek enerji yoğunluklu süreçler ve tanısal araştırmalar.
ŞEKİL 2. Ana hedef odasındaki odaklama geometrisi. Netlik sağlamak için, 6 numaralı ışının parabolik aynası şeffaf olarak ayarlanmıştır ve giriş ve çıkış ışınları yalnızca 1 ve 7 numaralı iki kanalı göstermektedir.
Şekil 3, deney binasındaki XCELS lazer sisteminin her bir işlevsel alanının mekânsal düzenini göstermektedir. Elektrik, vakum pompaları, su arıtma, arıtma ve klima sistemleri bodrum katında yer almaktadır. Toplam inşaat alanı 24.000 m2'den fazladır. Toplam güç tüketimi yaklaşık 7,5 MW'tır. Deney binası, her biri iki ayrı temel üzerine inşa edilmiş, içi boş bir genel çerçeve ve bir dış bölümden oluşmaktadır. Vakum ve diğer titreşim üreten sistemler, titreşim yalıtımlı temel üzerine monte edilmiştir; böylece temel ve destek üzerinden lazer sistemine iletilen bozulmanın genliği, 1-200 Hz frekans aralığında 10-10 g2/Hz'in altına düşürülmüştür. Ayrıca, zemin ve ekipmanın kaymasını sistematik olarak izlemek için lazer salonunda bir jeodezik referans işaretleyici ağı kurulmuştur.
XCELS projesi, son derece yüksek tepe güçlü lazerlere dayalı büyük bir bilimsel araştırma tesisi oluşturmayı amaçlamaktadır. XCELS lazer sisteminin bir kanalı, 1024 W/cm2'den birkaç kat daha yüksek odaklanmış ışık yoğunluğu sağlayabilir ve bu, sıkıştırma sonrası teknolojiyle 1025 W/cm2'ye kadar aşılabilir. Lazer sistemindeki 12 kanaldan gelen dipol odaklı darbeler sayesinde, sıkıştırma sonrası ve faz kilitlemesi olmadan bile 1026 W/cm2'ye yakın bir yoğunluk elde edilebilir. Kanallar arasındaki faz senkronizasyonu kilitlenirse, ışık yoğunluğu birkaç kat daha yüksek olacaktır. Bu rekor kıran darbe yoğunlukları ve çok kanallı ışın düzeni kullanılarak, gelecekteki XCELS tesisi son derece yüksek yoğunluklu, karmaşık ışık alanı dağılımlarına sahip deneyler gerçekleştirebilecek ve çok kanallı lazer ışınları ve ikincil radyasyon kullanarak etkileşimleri teşhis edebilecektir. Bu, süper güçlü elektromanyetik alan deneysel fiziği alanında benzersiz bir rol oynayacaktır.
Gönderi zamanı: 26 Mart 2024