آکادمی علوم روسیه XCELS قصد دارد لیزرهای 600PW بسازد

اخیراً، مؤسسه فیزیک کاربردی آکادمی علوم روسیه، مرکز مطالعات نور شدید (XCELS) را معرفی کرد، یک برنامه تحقیقاتی برای دستگاه‌های علمی بزرگ مبتنی بر فوق العادهلیزرهای با قدرت بالا. این پروژه شامل ساخت یک بسیارلیزر با قدرت بالابر اساس فناوری تقویت پالس چیرپ پارامتریک نوری در کریستال‌های دی‌دوتریوم فسفات پتاسیم با دیافراگم بزرگ (DKDP، فرمول شیمیایی KD2PO4)، با خروجی کل مورد انتظار 600 پالس‌های پیک توان PW. این کار جزئیات و یافته های تحقیقاتی مهمی را در مورد پروژه XCELS و سیستم های لیزری آن ارائه می دهد و کاربردها و اثرات بالقوه مربوط به فعل و انفعالات میدان نور فوق العاده قوی را توصیف می کند.

برنامه XCELS در سال 2011 با هدف اولیه دستیابی به اوج قدرت پیشنهاد شدلیزرخروجی پالس 200 PW که در حال حاضر به 600 PW ارتقا یافته است. آنسیستم لیزریمتکی بر سه فناوری کلیدی است:
(1) فناوری تقویت پالس چیرپ اپتیکال (OPCPA) به جای تقویت پالس چیرپ سنتی (تقویت پالس چیرپ، OPCPA) استفاده می شود. CPA) تکنولوژی؛
(2) با استفاده از DKDP به عنوان واسطه افزایش، تطبیق فاز فوق پهن باند نزدیک به طول موج 910 نانومتر تحقق می یابد.
(3) یک لیزر شیشه ای نئودیمیوم با دیافراگم بزرگ با انرژی پالسی هزاران ژول برای پمپ کردن یک تقویت کننده پارامتریک استفاده می شود.
تطبیق فاز فوق پهن باند به طور گسترده در بسیاری از کریستال ها یافت می شود و در لیزرهای فمتوثانیه OPCPA استفاده می شود. کریستال‌های DKDP به این دلیل استفاده می‌شوند که تنها ماده‌ای هستند که در عمل یافت می‌شوند و می‌توانند تا ده‌ها سانتی‌متر دیافراگم رشد کنند و در عین حال کیفیت نوری قابل قبولی برای پشتیبانی از تقویت توان چند PW دارند.لیزرها. مشخص شده است که وقتی کریستال DKDP توسط نور فرکانس دوگانه لیزر شیشه ای ND پمپ می شود، اگر طول موج حامل پالس تقویت شده 910 نانومتر باشد، سه عبارت اول بسط تیلور عدم تطابق بردار موج 0 است.

شکل 1 یک طرح شماتیک از سیستم لیزر XCELS است. قسمت جلویی پالس‌های فمتوثانیه‌ای با طول موج مرکزی 910 نانومتر (1.3 در شکل 1) و پالس‌های نانوثانیه 1054 نانومتری تولید می‌کند که به لیزر پمپ‌شده OPCPA (1.1 و 1.2 در شکل 1) تزریق می‌شوند. قسمت جلویی همگام سازی این پالس ها و همچنین انرژی مورد نیاز و پارامترهای مکانی-زمانی را تضمین می کند. یک OPCPA میانی که با نرخ تکرار بالاتر (1 هرتز) کار می کند، پالس چیپ شده را به ده ها ژول تقویت می کند (2 در شکل 1). پالس توسط بوستر OPCPA به یک پرتو تک کیلوژول تقویت شده و به 12 پرتو فرعی یکسان تقسیم می شود (4 در شکل 1). در 12 OPCPA نهایی، هر یک از 12 پالس نوری جیک شده تا سطح کیلوژول (5 در شکل 1) تقویت شده و سپس توسط 12 توری فشرده سازی (GC 6 در شکل 1) فشرده می شود. فیلتر پراکندگی قابل برنامه ریزی آکوستو-اپتیک در قسمت جلویی برای کنترل دقیق پراکندگی سرعت گروهی و پراکندگی مرتبه بالا استفاده می شود تا کمترین عرض پالس ممکن را به دست آورد. طیف پالس دارای شکلی از سوپرگاوس مرتبه 12 است و پهنای باند طیفی در 1٪ از حداکثر مقدار 150 نانومتر است که مربوط به عرض پالس حد تبدیل فوریه 17 fs است. با توجه به جبران ناقص پراکندگی و دشواری جبران فاز غیرخطی در تقویت کننده های پارامتری، عرض پالس مورد انتظار 20 fs است.

لیزر XCELS از دو ماژول دوبرابر فرکانس لیزر شیشه ای نئودیمیم 8 کاناله UFL-2M (3 در شکل 1) استفاده می کند، که از 13 کانال برای پمپاژ Booster OPCPA و 12 کانال OPCPA نهایی استفاده می شود. سه کانال باقیمانده به عنوان نانوثانیه کیلوژول مستقل مورد استفاده قرار خواهند گرفتمنابع لیزریبرای آزمایش های دیگر محدود شده توسط آستانه شکست نوری کریستال های DKDP، شدت تابش پالس پمپ شده به 1.5 GW/cm2 برای هر کانال و مدت زمان 3.5 ns تنظیم شده است.

هر کانال لیزر XCELS پالس هایی با توان 50 PW تولید می کند. در مجموع 12 کانال مجموعا توان خروجی 600 PW را ارائه می دهند. در محفظه اصلی هدف، حداکثر شدت فوکوس هر کانال در شرایط ایده آل 0.44×1025 W/cm2 است، با این فرض که از عناصر فوکوس F/1 برای فوکوس استفاده می شود. اگر پالس هر کانال با تکنیک پس فشرده سازی بیشتر به 2.6 fs فشرده شود، توان پالس خروجی مربوطه به 230 PW افزایش می یابد که متناظر با شدت نور 2.0×1025 W/cm2 است.

برای دستیابی به شدت نور بیشتر، در خروجی 600 PW، پالس های نور در 12 کانال در هندسه تابش دوقطبی معکوس متمرکز می شوند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. هنگامی که فاز پالس در هر کانال قفل نشده باشد، شدت فوکوس می تواند به 9×1025 W/cm2 برسد. اگر هر فاز پالس قفل و هماهنگ شود، شدت نور منتج به 3.2×1026 W/cm2 افزایش می یابد. علاوه بر اتاق هدف اصلی، پروژه XCELS شامل حداکثر 10 آزمایشگاه کاربر است که هر کدام یک یا چند پرتو برای آزمایش دریافت می کنند. با استفاده از این میدان نوری بسیار قوی، پروژه XCELS قصد دارد آزمایش هایی را در چهار دسته انجام دهد: فرآیندهای الکترودینامیک کوانتومی در میدان های لیزری شدید. تولید و شتاب ذرات؛ تولید تابش الکترومغناطیسی ثانویه؛ اخترفیزیک آزمایشگاهی، فرآیندهای چگالی انرژی بالا و تحقیقات تشخیصی.

شکل 2 فوکوس کردن هندسه در محفظه هدف اصلی. برای وضوح، آینه سهموی پرتو 6 روی شفاف تنظیم شده است و پرتوهای ورودی و خروجی تنها دو کانال 1 و 7 را نشان می دهند.

شکل 3 طرح فضایی هر ناحیه عملکردی سیستم لیزر XCELS در ساختمان آزمایشی را نشان می دهد. برق، پمپ وکیوم، تصفیه آب، تصفیه و تهویه مطبوع در زیرزمین قرار دارد. مساحت کل ساخت بیش از 24000 متر مربع است. کل مصرف برق حدود 7.5 مگاوات است. ساختمان آزمایشی شامل یک قاب کلی توخالی داخلی و یک بخش خارجی است که هر کدام بر روی دو پایه جدا شده ساخته شده‌اند. خلاء و سایر سیستم های القای ارتعاش بر روی پایه ایزوله ارتعاش نصب می شوند، به طوری که دامنه اختلال منتقل شده به سیستم لیزری از طریق فونداسیون و پشتیبانی به کمتر از 10-10 g2/Hz در محدوده فرکانس کاهش می یابد. 1-200 هرتز علاوه بر این، شبکه ای از نشانگرهای مرجع ژئودزیکی در سالن لیزر راه اندازی شده است تا به طور سیستماتیک بر رانش زمین و تجهیزات نظارت کند.

پروژه XCELS با هدف ایجاد یک مرکز تحقیقات علمی بزرگ بر اساس لیزرهای با اوج بسیار بالا است. یک کانال از سیستم لیزر XCELS ممکن است شدت نور متمرکزی را چندین برابر بیشتر از 1024 W/cm2 ارائه دهد که با فناوری پس از فشرده سازی می توان از آن 1025 W/cm2 فراتر رفت. با استفاده از پالس های فوکوس دوقطبی از 12 کانال در سیستم لیزر، می توان به شدت نزدیک به 1026 W/cm2 حتی بدون پس فشرده سازی و قفل شدن فاز دست یافت. اگر همگام سازی فاز بین کانال ها قفل باشد، شدت نور چندین برابر بیشتر می شود. با استفاده از این شدت‌های پالس رکوردشکنی و طرح‌بندی پرتو چند کاناله، تأسیسات آینده XCELS می‌تواند آزمایش‌هایی با شدت بسیار بالا، توزیع‌های میدان نور پیچیده و تشخیص برهمکنش‌ها با استفاده از پرتوهای لیزر چند کاناله و تشعشعات ثانویه انجام دهد. این یک نقش منحصر به فرد در زمینه فیزیک تجربی میدان الکترومغناطیسی فوق العاده قوی خواهد داشت.