Son zamanlarda, Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü, son derece yüksek ışık yoğunluğuna sahip 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 cıvıldayan darbe amplifikasyon teknolojisine dayalı, beklenen toplam çıktı 600 PW tepe güç darbesi. Bu çalışma, XCELS projesi ve lazer sistemleri hakkında önemli ayrıntılar ve araştırma bulguları sunarak, ultra güçlü ışık alanı etkileşimleriyle ilgili uygulamaları ve potansiyel etkileri tanımlamaktadır.
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 bantlı 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 lazerlerinde kullanılır. DKDP kristalleri, uygulamada onlarca santimetrelik açıklığa kadar büyütülebilen ve aynı zamanda çoklu-PW gücünün yükseltilmesini desteklemek için kabul edilebilir optik niteliklere sahip olan tek malzeme oldukları için kullanılırlazerlerDKDP kristali ND cam lazerin çift frekanslı ışığı ile pompalandığında, 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, 910 nm'lik merkezi dalga boyuna sahip cıvıldayan femtosaniye darbeleri (Şekil 1'de 1.3) ve OPCPA pompalı lazere enjekte edilen 1054 nm nanosaniye darbeleri (Şekil 1'de 1.1 ve 1.2) üretir. Ön uç ayrıca bu darbelerin senkronizasyonunu ve gerekli enerjiyi ve uzaysal-zamansal parametreleri sağlar. Daha yüksek tekrarlama hızında (1 Hz) çalışan bir ara OPCPA, cıvıldayan darbeyi onlarca joule'a yükseltir (Şekil 1'de 2). Darbe, Booster OPCPA tarafından tek bir kilojoule ışınına yükseltilir ve 12 özdeş alt ışına bölünür (Şekil 1'de 4). Son 12 OPCPA'da, 12 cıvıldayan ışık darbesinin her biri kilojoule seviyesine yükseltilir (Şekil 1'de 5) ve ardından 12 sıkıştırma ızgarası ile sıkıştırılır (Şekil 1'de 6'lık GC). 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 için ön uçta kullanılır. Darbe spektrumu yaklaşık 12. mertebeden süpergauss şeklindedir ve maksimum değerin %1'indeki spektral bant genişliği 150 nm'dir ve bu da 17 fs'lik Fourier dönüşümü sınır darbe genişliğine karşılık gelir. Eksik dispersiyon telafisi ve parametrik amplifikatörlerde 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 iki katına çıkarma modülü (Şekil 1'de 3) kullanacak ve bunlardan 13 kanal Booster OPCPA'yı ve 12 son OPCPA'yı pompalamak için kullanılacak. Kalan üç kanal bağımsız nanosaniye kilojoule darbeli olarak kullanılacaklazer kaynaklarıDiğer deneyler için. DKDP kristallerinin optik bozulma eşiği ile sınırlı olarak, pompalanan darbenin ışınlama yoğunluğu her kanal için 1,5 GW/cm2 olarak ayarlanır ve süre 3,5 ns'dir.
XCELS lazerinin her kanalı 50 PW gücünde darbeler üretir. Toplam 12 kanal 600 PW toplam çıkış gücü sağlar. Ana hedef odasında, 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 daha fazla sıkıştırılırsa, karşılık gelen çıkış darbe gücü 2,0×1025 W/cm2 ışık yoğunluğuna karşılık gelen 230 PW'ye çıkar.
Daha fazla ışık yoğunluğu elde etmek için, 600 PW çıkışta, 12 kanaldaki ışık darbeleri, Şekil 2'de gösterildiği gibi ters dipol radyasyonunun geometrisinde odaklanacaktır. Her bir kanaldaki darbe fazı kilitlenmediğinde, odak yoğunluğu 9×1025 W/cm2'ye ulaşabilir. Her bir darbe fazı kilitlenir ve 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 yürütmeyi planlamaktadır: yoğun lazer alanlarında kuantum elektrodinamik süreçleri; Parçacıkların üretimi ve hızlandırılması; İkincil elektromanyetik radyasyonun üretilmesi; Laboratuvar astrofiziği, yüksek enerji yoğunluklu süreçler ve tanısal araştırmalar.
ŞEKİL 2 Ana hedef odasındaki odaklama geometrisi. Netlik için, ışın 6'nın parabolik aynası şeffaf olarak ayarlanmıştır ve giriş ve çıkış ışınları yalnızca iki kanal 1 ve 7'yi göstermektedir
Şekil 3, deney binasındaki XCELS lazer sisteminin her bir işlevsel alanının mekansal düzenini göstermektedir. Elektrik, vakum pompaları, su arıtma, arıtma ve klima 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, dahili içi boş genel bir çerçeve ve harici bir bölümden oluşmaktadır. Vakum ve diğer titreşim oluşturan sistemler, titreşim yalıtımlı temel üzerine monte edilmiştir, böylece temel ve destek aracılığıyla lazer sistemine iletilen bozulmanın genliği, 1-200 Hz frekans aralığında 10-10 g2/Hz'in altına düşürülmüştür. Ayrıca, zeminin ve ekipmanın kaymasını sistematik olarak izlemek için lazer salonunda bir jeodezik referans işaretleyicileri ağı kurulmuştur.
XCELS projesi, son derece yüksek tepe güç lazerlerine dayalı büyük bir bilimsel araştırma tesisi oluşturmayı amaçlamaktadır. XCELS lazer sisteminin bir kanalı, 1024 W/cm2'den birkaç kat daha yüksek odaklanmış bir ışık yoğunluğu sağlayabilir ve bu, sıkıştırma sonrası teknolojiyle 1025 W/cm2'ye kadar aşılabilir. Lazer sistemindeki 12 kanaldan gelen dipol odaklı darbelerle, 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 yoğunluklarını ve çok kanallı ışın düzenini kullanarak, 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: Mar-26-2024