Lastatempe, la Instituto de Aplikata Fiziko de la Rusia Akademio de Sciencoj enkondukis la eXawatt Centron por Studado de Ekstrema Lumo (XCELS), esplorprogramon por grandaj sciencaj aparatoj bazitaj sur ekstreme...altpotencaj laserojLa projekto inkluzivas la konstruadon de trealtpotenca laserobazita sur optika parametrika ĉirpita pulsa amplifika teknologio en grand-aperturaj kalia dideŭteriaj fosfataj (DKDP, kemia formulo KD2PO4) kristaloj, kun atendata totala eligo de 600 PW pintaj potencaj pulsoj. Ĉi tiu verko provizas gravajn detalojn kaj esplorrezultojn pri la projekto XCELS kaj ĝiaj lasersistemoj, priskribante aplikojn kaj eblajn efikojn rilatajn al ultra-fortaj lumkampaj interagoj.
La programo XCELS estis proponita en 2011 kun la komenca celo atingi pintan potenconlaseropulsa eligo de 200 PW, kiu nuntempe estas ĝisdatigita al 600 PW. Ĝialasera sistemodependas de tri ŝlosilaj teknologioj:
(1) Optika Parametra Ĉirpita Pulsa Amplifikado (OPCPA) estas uzata anstataŭ tradicia Ĉirpita Pulsa Amplifikado (Ĉirpita Pulsa Amplifikado, OPCPA). CPA;
(2) Uzante DKDP kiel la gajnomedion, ultralarĝbenda fazakordigo estas realigita proksime de 910 nm ondolongo;
(3) Grandapertura neodima vitrolasero kun pulsa energio de miloj da ĵuloj estas uzata por pumpi parametrikan amplifilon.
Ultra-larĝbenda fazakordigo estas vaste trovebla en multaj kristaloj kaj estas uzata en OPCPA femtosekundaj laseroj. DKDP-kristaloj estas uzataj ĉar ili estas la sola materialo trovita en praktiko, kiu povas esti kreskigita ĝis dekoj da centimetroj da aperturo kaj samtempe havas akcepteblajn optikajn kvalitojn por subteni la amplifikadon de plur-PW-potenco.laserojOni trovas, ke kiam la DKDP-kristalo estas pumpita per la duobla frekvenca lumo de la ND-vitra lasero, se la ondolongo de la plifortigita pulso estas 910 nm, la unuaj tri termoj de la Taylor-ekspansio de la onda vektora misagordo estas 0.
Figuro 1 estas skema aranĝo de la lasersistemo XCELS. La antaŭa finaĵo generis ĉirpitajn femtosekunajn pulsojn kun centra ondolongo de 910 nm (1.3 en Figuro 1) kaj 1054 nm nanosekunajn pulsojn injektitajn en la per pumpita lasero OPCPA (1.1 kaj 1.2 en Figuro 1). La antaŭa finaĵo ankaŭ certigas la sinkronigon de ĉi tiuj pulsoj same kiel la bezonatajn energiajn kaj spactempajn parametrojn. Meza OPCPA funkcianta je pli alta ripetfrekvenco (1 Hz) amplifas la ĉirpitan pulson ĝis dekoj da ĵuloj (2 en Figuro 1). La pulso estas plue amplifikita de la Akcelilo OPCPA en unuopan kiloĵulan faskon kaj dividita en 12 identajn subfaskojn (4 en Figuro 1). En la finaj 12 OPCPA, ĉiu el la 12 ĉirpitaj lumpulsoj estas amplifikita ĝis la kiloĵula nivelo (5 en Figuro 1) kaj poste kunpremita per 12 kunpremaj kradoj (GC de 6 en Figuro 1). La akusto-optika programebla dispersa filtrilo estas uzata en la antaŭa parto por precize kontroli la gruprapidan disperson kaj alt-ordan disperson, por atingi la plej malgrandan eblan pulslarĝon. La pulsspektro havas formon de preskaŭ 12-orda supergaŭso, kaj la spektra bendlarĝo je 1% de la maksimuma valoro estas 150 nm, kio respondas al la limo de pulslarĝo laŭ la Fourier-transformo de 17 fs. Konsiderante la nekompletan dispersan kompenson kaj la malfacilecon de nelineara fazkompenso en parametrikaj amplifiloj, la atendata pulslarĝo estas 20 fs.
La XCELS-lasero uzos du 8-kanalajn UFL-2M neodimvitrajn laserajn frekvencduobligajn modulojn (3 en Figuro 1), el kiuj 13 kanaloj estos uzataj por pumpi la akcelilon OPCPA kaj 12 la finan OPCPA. La ceteraj tri kanaloj estos uzataj kiel sendependaj nanosekundaj kiloĵulaj pulsitaj moduloj.laserfontojpor aliaj eksperimentoj. Limigite de la optika disfala sojlo de la DKDP-kristaloj, la surradia intenseco de la pumpita pulso estas agordita al 1,5 GW/cm² por ĉiu kanalo kaj la daŭro estas 3,5 ns.
Ĉiu kanalo de la XCELS-lasero produktas pulsojn kun povumo de 50 PW. Entute 12 kanaloj provizas totalan eliran povumon de 600 PW. En la ĉefa cela ĉambro, la maksimuma fokusa intenseco de ĉiu kanalo sub idealaj kondiĉoj estas 0,44 × 10²⁵ W/cm², supozante ke F/1 fokusaj elementoj estas uzataj por fokusado. Se la pulso de ĉiu kanalo estas plue kunpremita ĝis 2,6 fs per post-kunprema tekniko, la koresponda elira pulsa povumo estos pliigita ĝis 230 PW, korespondante al la lumintenseco de 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Por atingi pli grandan lumintensecon, je eligo de 600 PW, la lumpulsoj en la 12 kanaloj estos fokusitaj en la geometrio de inversa dipola radiado, kiel montrite en Figuro 2. Kiam la pulsa fazo en ĉiu kanalo ne estas ŝlosita, la fokusa intenseco povas atingi 9×10²⁵ W/cm². Se ĉiu pulsa fazo estas ŝlosita kaj sinkronigita, la kohera rezulta lumintenseco estos pliigita al 3,2×10²⁶ W/cm². Aldone al la ĉefa cela ĉambro, la projekto XCELS inkluzivas ĝis 10 uzantajn laboratoriojn, ĉiu ricevante unu aŭ plurajn radiojn por eksperimentoj. Uzante ĉi tiun ekstreme fortan lumkampon, la projekto XCELS planas efektivigi eksperimentojn en kvar kategorioj: kvantumelektrodinamikaj procezoj en intensaj laseraj kampoj; La produktado kaj akcelo de partikloj; La generado de sekundara elektromagneta radiado; Laboratoria astrofiziko, procezoj kun alta energidenseco kaj diagnoza esplorado.
FIG. 2 Fokusa geometrio en la ĉefa cela ĉambro. Por klareco, la parabola spegulo de radio 6 estas agordita al travidebla, kaj la enigaj kaj eligaj radioj montras nur du kanalojn 1 kaj 7.
Figuro 3 montras la spacan aranĝon de ĉiu funkcia areo de la lasersistemo XCELS en la eksperimenta konstruaĵo. Elektro, vakuopumpiloj, akvopurigado, purigado kaj klimatizilo troviĝas en la kelo. La tuta konstruareo estas pli ol 24 000 m². La tuta elektrokonsumo estas ĉirkaŭ 7,5 MW. La eksperimenta konstruaĵo konsistas el interna kava kadro kaj ekstera sekcio, ĉiu konstruita sur du malkuplitaj fundamentoj. La vakuo kaj aliaj vibro-induktantaj sistemoj estas instalitaj sur la vibro-izolita fundamento, tiel ke la amplitudo de la perturbo transdonita al la lasersistemo tra la fundamento kaj subteno estas reduktita al malpli ol 10⁻¹⁵ g²/Hz en la frekvenca gamo de 1-200 Hz. Krome, reto de geodeziaj referencmarkiloj estas starigita en la laserhalo por sisteme monitori la drivon de la grundo kaj ekipaĵo.
La projekto XCELS celas krei grandan sciencan esplorinstalaĵon bazitan sur laseroj kun ekstreme alta pinta potenco. Unu kanalo de la lasersistemo XCELS povas provizi fokusitan lumintensecon plurfoje pli altan ol 1024 W/cm², kiu povas esti plue superita je 1025 W/cm² per postkunprema teknologio. Per dipol-fokusaj pulsoj de 12 kanaloj en la lasersistemo, intenseco proksima al 1026 W/cm² povas esti atingita eĉ sen postkunpremo kaj fazŝlosado. Se la fazsinkronigo inter la kanaloj estas ŝlosita, la lumintenseco estos plurfoje pli alta. Uzante ĉi tiujn rekord-rompantajn pulsajn intensecojn kaj la plurkanalan faskan aranĝon, la estonta instalaĵo XCELS povos fari eksperimentojn kun ekstreme alta intenseco, kompleksaj lumkampaj distribuoj, kaj diagnozi interagojn uzante plurkanalajn laserajn faskojn kaj sekundaran radiadon. Ĉi tio ludos unikan rolon en la kampo de superforta elektromagneta kampeksperimenta fiziko.
Afiŝtempo: 26-a de marto 2024