Son zamanlarda, Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü, aşırı ışık temelli büyük bilimsel cihazlar için bir araştırma programı olan eXawatt Aşırı Işık Çalışmaları Merkezi'ni (XCELS) tanıttı.yüksek güçlü lazerlerProje, çok büyük bir yapının inşasını içeriyor.yüksek güçlü lazerGeniş açıklıklı potasyum dideuterium fosfat (DKDP, kimyasal formülü KD2PO4) kristallerinde optik parametrik frekans kaydırmalı darbe yükseltme teknolojisine dayalı olarak, toplam 600 PW tepe güç darbe çıkışı beklenmektedir. Bu çalışma, XCELS projesi ve lazer sistemleri hakkında önemli ayrıntılar ve araştırma bulguları sunarak, ultra güçlü ışık alanı etkileşimleriyle ilgili uygulamaları ve potansiyel etkileri açıklamaktadır.
XCELS programı, 2011 yılında en yüksek güç hedefine ulaşmak amacıyla önerilmiştir.lazer200 PW'lık darbe çıkış gücü, şu anda 600 PW'a yükseltilmektedir.lazer sistemiÜç temel teknolojiye dayanmaktadır:
(1) Geleneksel Çırpılmış Darbe Yükseltme (Çırpılmış Darbe Yükseltme, OPCPA) teknolojisi yerine Optik Parametrik Çırpılmış Darbe Yükseltme (OPCPA) teknolojisi kullanılır;
(2) Kazanç ortamı olarak DKDP kullanılarak, 910 nm dalga boyuna yakın ultra geniş bant faz eşleşmesi gerçekleştirilir;
(3) Binlerce joule darbe enerjisine sahip geniş açıklıklı bir neodimyum cam lazer, parametrik bir yükselticiyi pompalamak için kullanılır.
Ultra geniş bant faz eşleşmesi birçok kristalde yaygın olarak bulunur ve OPCPA femtosaniye lazerlerinde kullanılır. DKDP kristalleri, pratikte onlarca santimetre 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 lazerinin çift frekanslı ışığıyla uyarılması durumunda, yükseltilmiş 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 düzenini göstermektedir. Ön uç, 910 nm'lik merkezi dalga boyuna sahip (Şekil 1'de 1.3) ve 1054 nm'lik nanosaniyelik darbeleri OPCPA pompalı lazere enjekte ederek, frekans kaydırmalı femtosaniye darbeleri üretir (Şekil 1'de 1.1 ve 1.2). Ön uç ayrıca bu darbelerin senkronizasyonunu ve gerekli enerji ve uzamsal-zamansal parametreleri sağlar. Daha yüksek tekrarlama hızında (1 Hz) çalışan bir ara OPCPA, frekans kaydırmalı darbeyi onlarca joule'e yükseltir (Şekil 1'de 2). Darbe, Booster OPCPA tarafından tek bir kilojoule ışınına daha da yükseltilir ve 12 özdeş alt ışına bölünür (Şekil 1'de 4). Son 12 OPCPA'da, 12 adet frekans kaydırmalı ışık darbesinin her biri kilojoule seviyesine (Şekil 1'deki 5) yükseltilir ve ardından 12 sıkıştırma ızgarası (Şekil 1'deki 6'lı GC) ile sıkıştırılır. Ön uçta, grup hızı dağılımını ve yüksek mertebeli dağılımı hassas bir şekilde kontrol etmek ve böylece mümkün olan en küçük darbe genişliğini elde etmek için akustik-optik programlanabilir dağılım filtresi kullanılır. Darbe spektrumu neredeyse 12. mertebeden süpergauss şeklindedir ve maksimum değerin %1'indeki spektral bant genişliği 150 nm'dir; bu da Fourier dönüşümü limit darbe genişliğinin 17 fs'ye karşılık geldiği anlamına gelir. Eksik dağılım telafisi ve parametrik yükselticilerde doğrusal olmayan faz telafisinin zorluğu göz önüne alındığında, beklenen darbe genişliği 20 fs'dir.
XCELS lazeri, iki adet 8 kanallı UFL-2M neodimyum cam lazer frekans ikiye katlama modülü (Şekil 1'de 3 adet) kullanacak olup, bunlardan 13 kanal Booster OPCPA'yı ve 12 kanal da son OPCPA'yı pompalamak için kullanılacaktır. Geri kalan üç kanal ise bağımsız nanosaniye kilojoule darbeli olarak kullanılacaktır.lazer kaynaklarıDiğer deneyler için. DKDP kristallerinin optik kırılma eşiğiyle sınırlı olarak, pompalanan darbenin ışınım yoğunluğu her kanal için 1,5 GW/cm2 ve süresi 3,5 ns olarak ayarlanmıştır.
XCELS lazerinin her bir kanalı 50 PW gücünde darbeler üretir. Toplam 12 kanal, toplam 600 PW çıkış gücü sağlar. Ana hedef odasında, ideal koşullar altında her bir kanalın maksimum odaklama yoğunluğu, odaklama için F/1 odaklama elemanlarının kullanıldığı varsayılarak 0,44×10²⁵ W/cm²'dir. Her bir kanalın darbesi, sonradan sıkıştırma tekniğiyle 2,6 fs'ye daha da sıkıştırılırsa, karşılık gelen çıkış darbe gücü 230 PW'ye yükselir ve bu da 2,0×10²⁵ W/cm² ışık yoğunluğuna karşılık gelir.
Daha yüksek ışık yoğunluğu elde etmek 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 sonuçtaki 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 laboratuvarı içermektedir. Bu son derece güçlü ışık alanını kullanarak, XCELS projesi dört kategoride deneyler yapmayı planlamaktadır: yoğun lazer alanlarında kuantum elektrodinamik süreçler; 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 saydam olarak ayarlanmıştır ve giriş ve çıkış ışınları yalnızca 1 ve 7 numaralı iki kanalı göstermektedir.
Şekil 3, deney binasındaki XCELS lazer sisteminin her bir fonksiyonel alanının mekansal düzenini göstermektedir. Elektrik, vakum pompaları, su arıtma, saflaştırma 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 ayrık temel üzerine inşa edilmiş, içten boş bir genel çerçeve ve dış bölümden oluşmaktadır. Vakum ve diğer titreşim oluşturan sistemler, titreşimden izole edilmiş temel üzerine monte edilmiştir; böylece temel ve destek yoluyla lazer sistemine iletilen bozulmanın genliği, 1-200 Hz frekans aralığında 10-10 g2/Hz'den daha düşük bir değere düşürülmüştür. Ayrıca, zemin ve ekipmanın kaymasını sistematik olarak izlemek için lazer salonunda bir jeodezik referans işaretleyici ağı kurulmuştur.
XCELS projesi, son derece yüksek tepe gücüne sahip 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 değer, sonradan sıkıştırma teknolojisiyle 1025 W/cm2'ye kadar daha da aşılabilir. Lazer sistemindeki 12 kanaldan gelen darbelerin dipol odaklamasıyla, sonradan sıkıştırma ve faz kilitleme 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 yapabilecek ve çok kanallı lazer ışınları ve ikincil radyasyon kullanarak etkileşimleri teşhis edebilecektir. Bu, süper güçlü elektromanyetik alan deneysel fiziği alanında benzersiz bir rol oynayacaktır.
Yayın tarihi: 26 Mart 2024