اخیراً، مؤسسه فیزیک کاربردی آکادمی علوم روسیه، مرکز eXawatt برای مطالعه نور شدید (XCELS) را معرفی کرد، یک برنامه تحقیقاتی برای دستگاه‌های علمی بزرگ مبتنی بر ...لیزرهای پرقدرتاین پروژه شامل ساخت یک ... بسیار ... است.لیزر پرقدرتبر اساس فناوری تقویت پالس چیرپ پارامتری نوری در کریستال‌های پتاسیم دی‌دوتریوم فسفات با روزنه بزرگ (DKDP، فرمول شیمیایی KD2PO4)، با خروجی کل مورد انتظار ۶۰۰ پالس با حداکثر توان پتاوات. این کار جزئیات مهم و یافته‌های تحقیقاتی در مورد پروژه XCELS و سیستم‌های لیزری آن را ارائه می‌دهد و کاربردها و اثرات بالقوه مربوط به برهمکنش‌های میدان نوری فوق قوی را شرح می‌دهد.
برنامه XCELS در سال ۲۰۱۱ با هدف اولیه دستیابی به حداکثر توان پیشنهاد شد.لیزرخروجی پالس ۲۰۰ پتاس، که در حال حاضر به ۶۰۰ پتاس ارتقا یافته است.سیستم لیزرمتکی بر سه فناوری کلیدی است:
(1) فناوری تقویت پالس چیرپ شده پارامتری نوری (OPCPA) به جای فناوری سنتی تقویت پالس چیرپ شده (CPA) استفاده می‌شود؛
(2) با استفاده از DKDP به عنوان محیط بهره، تطبیق فاز با پهنای باند بسیار بالا در نزدیکی طول موج 910 نانومتر محقق می‌شود؛
(3) یک لیزر شیشه‌ای نئودیمیوم با دیافراگم بزرگ با انرژی پالس هزاران ژول برای پمپاژ یک تقویت‌کننده پارامتری استفاده می‌شود.
تطبیق فاز با پهنای باند بسیار وسیع به طور گسترده در بسیاری از کریستال‌ها یافت می‌شود و در لیزرهای فمتوثانیه OPCPA استفاده می‌شود. 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 پتانسیومتر (multi-PW) داشته باشند.لیزرهامشخص شده است که وقتی کریستال DKDP توسط نور دو فرکانسه لیزر شیشه‌ای ND پمپ می‌شود، اگر طول موج حامل پالس تقویت‌شده ۹۱۰ نانومتر باشد، سه جمله اول بسط تیلور عدم تطابق بردار موج برابر با ۰ است.
شکل 1 طرح شماتیک سیستم لیزر XCELS را نشان می‌دهد. بخش جلویی، پالس‌های فمتوثانیه چیرپ شده با طول موج مرکزی 910 نانومتر (1.3 در شکل 1) و پالس‌های نانوثانیه 1054 نانومتر تولید می‌کند که به لیزر پمپ شده OPCPA (1.1 و 1.2 در شکل 1) تزریق می‌شوند. بخش جلویی همچنین همگام‌سازی این پالس‌ها و همچنین پارامترهای انرژی و مکانی-زمانی مورد نیاز را تضمین می‌کند. یک OPCPA میانی که با نرخ تکرار بالاتر (1 هرتز) کار می‌کند، پالس چیرپ شده را تا ده‌ها ژول تقویت می‌کند (2 در شکل 1). این پالس توسط OPCPA تقویت‌کننده به یک پرتو کیلوژول واحد تقویت شده و به 12 زیر پرتو یکسان تقسیم می‌شود (4 در شکل 1). در ۱۲ OPCPA نهایی، هر یک از ۱۲ پالس نوری چیرپ شده تا سطح کیلوژول (۵ در شکل ۱) تقویت شده و سپس توسط ۱۲ توری فشرده‌سازی (GC با ۶ در شکل ۱) فشرده می‌شوند. فیلتر پراکندگی قابل برنامه‌ریزی آکوستیک-اپتیکی در قسمت جلویی برای کنترل دقیق پراکندگی سرعت گروه و پراکندگی مرتبه بالا استفاده می‌شود تا کوچکترین پهنای پالس ممکن به دست آید. طیف پالس شکلی تقریباً در حد ۱۲ ام سوپرگاوس دارد و پهنای باند طیفی در ۱٪ از حداکثر مقدار، ۱۵۰ نانومتر است که مربوط به پهنای پالس حد تبدیل فوریه ۱۷ فمتوثانیه است. با توجه به جبران پراکندگی ناقص و دشواری جبران فاز غیرخطی در تقویت‌کننده‌های پارامتری، پهنای پالس مورد انتظار ۲۰ فمتوثانیه است.
لیزر XCELS از دو ماژول دو برابر کننده فرکانس لیزر شیشه نئودیمیوم UFL-2M 8 کاناله (3 در شکل 1) استفاده خواهد کرد که از این تعداد، 13 کانال برای پمپاژ OPCPA تقویت کننده و 12 کانال برای OPCPA نهایی استفاده خواهد شد. سه کانال باقی مانده به عنوان پالس های نانوثانیه ای کیلوژول مستقل استفاده خواهند شد.منابع لیزربرای آزمایش‌های دیگر. با توجه به محدودیت آستانه شکست نوری کریستال‌های DKDP، شدت تابش پالس پمپ‌شده برای هر کانال روی ۱.۵ گیگاوات بر سانتی‌متر مربع تنظیم شده و مدت زمان آن ۳.۵ نانوثانیه است.
هر کانال لیزر XCELS پالس‌هایی با توان ۵۰ پتا وات تولید می‌کند. در مجموع ۱۲ کانال، توان خروجی کل ۶۰۰ پتا وات را فراهم می‌کنند. در محفظه هدف اصلی، حداکثر شدت فوکوس هر کانال در شرایط ایده‌آل ۰.۴۴×۱۰۲۵ وات بر سانتی‌متر مربع است، با فرض اینکه از عناصر فوکوس F/1 برای فوکوس استفاده شود. اگر پالس هر کانال با استفاده از تکنیک پس‌فشرده‌سازی به ۲.۶ فمتوثانیه فشرده‌تر شود، توان پالس خروجی مربوطه به ۲۳۰ پتا وات افزایش می‌یابد که مربوط به شدت نور ۲.۰×۱۰۲۵ وات بر سانتی‌متر مربع است.
برای دستیابی به شدت نور بیشتر، با خروجی ۶۰۰ پتاوات، پالس‌های نوری در ۱۲ کانال در هندسه تابش دوقطبی معکوس، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، متمرکز خواهند شد. هنگامی که فاز پالس در هر کانال قفل نشده باشد، شدت فوکوس می‌تواند به ۹×۱۰۲۵ وات بر سانتی‌متر مربع برسد. اگر هر فاز پالس قفل و همزمان شود، شدت نور منسجم حاصل به ۳.۲×۱۰۲۶ وات بر سانتی‌متر مربع افزایش می‌یابد. علاوه بر اتاق هدف اصلی، پروژه XCELS شامل حداکثر ۱۰ آزمایشگاه کاربر است که هر کدام یک یا چند پرتو را برای آزمایش دریافت می‌کنند. پروژه XCELS با استفاده از این میدان نوری بسیار قوی، قصد دارد آزمایش‌هایی را در چهار دسته انجام دهد: فرآیندهای الکترودینامیک کوانتومی در میدان‌های لیزری شدید؛ تولید و شتاب ذرات؛ تولید تابش الکترومغناطیسی ثانویه؛ اخترفیزیک آزمایشگاهی، فرآیندهای چگالی انرژی بالا و تحقیقات تشخیصی.
شکل ۲. هندسه کانونی در محفظه اصلی هدف. برای وضوح بیشتر، آینه سهموی پرتو ۶ روی حالت شفاف تنظیم شده است و پرتوهای ورودی و خروجی فقط دو کانال ۱ و ۷ را نشان می‌دهند.
شکل ۳ طرح فضایی هر ناحیه عملکردی سیستم لیزر XCELS را در ساختمان آزمایشی نشان می‌دهد. برق، پمپ‌های خلاء، تصفیه آب، تصفیه و تهویه مطبوع در زیرزمین قرار دارند. مساحت کل ساخت و ساز بیش از ۲۴۰۰۰ متر مربع است. کل مصرف برق حدود ۷.۵ مگاوات است. ساختمان آزمایشی از یک قاب کلی توخالی داخلی و یک بخش خارجی تشکیل شده است که هر کدام بر روی دو فونداسیون جدا از هم ساخته شده‌اند. سیستم‌های خلاء و سایر سیستم‌های القاکننده ارتعاش بر روی فونداسیون ایزوله شده از ارتعاش نصب شده‌اند، به طوری که دامنه اختلال منتقل شده به سیستم لیزر از طریق فونداسیون و تکیه‌گاه به کمتر از ۱۰-۱۰ g2/Hz در محدوده فرکانس ۱-۲۰۰ هرتز کاهش می‌یابد. علاوه بر این، شبکه‌ای از نشانگرهای مرجع ژئودزیک در سالن لیزر راه‌اندازی شده است تا به طور سیستماتیک رانش زمین و تجهیزات را رصد کند.
پروژه XCELS با هدف ایجاد یک مرکز تحقیقات علمی بزرگ مبتنی بر لیزرهای با پیک توان بسیار بالا طراحی شده است. یک کانال از سیستم لیزر XCELS می‌تواند شدت نور متمرکزی چندین برابر بیشتر از 1024 وات بر سانتی‌متر مربع ارائه دهد که با فناوری پس از فشرده‌سازی می‌تواند تا 1025 وات بر سانتی‌متر مربع نیز افزایش یابد. با پالس‌های متمرکز دوقطبی از 12 کانال در سیستم لیزر، می‌توان به شدتی نزدیک به 1026 وات بر سانتی‌متر مربع حتی بدون پس از فشرده‌سازی و قفل فاز دست یافت. اگر همگام‌سازی فاز بین کانال‌ها قفل شود، شدت نور چندین برابر بیشتر خواهد شد. با استفاده از این شدت‌های پالس رکوردشکن و طرح پرتو چند کاناله، مرکز آینده XCELS قادر خواهد بود آزمایش‌هایی با شدت بسیار بالا، توزیع میدان نوری پیچیده انجام دهد و با استفاده از پرتوهای لیزر چند کاناله و تابش ثانویه، برهمکنش‌ها را تشخیص دهد. این امر نقش منحصر به فردی در زمینه فیزیک تجربی میدان الکترومغناطیسی فوق قوی ایفا خواهد کرد.
زمان ارسال: ۲۶ مارس ۲۰۲۴