Nýlega kynnti Institute of Applied Physics í rússnesku vísindaakademíunni eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), rannsóknaráætlun fyrir stór vísindatæki sem byggir á mjögleysir með miklum krafti. Verkefnið felur í sér byggingu mjöghár afl leysirbyggt á optískri parametric chirped púls mögnunartækni í stóropum kalíum dídeuterium fosfat (DKDP, efnaformúlu KD2PO4) kristöllum, með áætlað heildarúttak upp á 600 PW hámarksaflspúls. Þessi vinna veitir mikilvægar upplýsingar og rannsóknarniðurstöður um XCELS verkefnið og leysikerfi þess, lýsir forritum og hugsanlegum áhrifum sem tengjast ofursterkum ljóssviðssamskiptum.
XCELS forritið var lagt til árið 2011 með það upphaflega markmið að ná hámarksaflileysirpúlsframleiðsla upp á 200 PW, sem nú er uppfærð í 600 PW. Þesslaserkerfibyggir á þremur lykiltækni:
(1) Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) tækni er notuð í stað hefðbundinnar Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) tækni;
(2) Með því að nota DKDP sem ávinningsmiðil er öfgabreiðbandsfasasamsvörun að veruleika nálægt 910 nm bylgjulengd;
(3) Neodymium glerleysir með stórt ljósopi með púlsorku sem nemur þúsundum joule er notaður til að dæla parametrimagnari.
Ofurbreiðbandsfasasamsvörun er víða að finna í mörgum kristöllum og er notuð í OPCPA femtósekúndu leysigeisla. DKDP kristallar eru notaðir vegna þess að þeir eru eina efnið sem finnst í reynd sem hægt er að vaxa upp í tugi sentímetra af ljósopi og hafa á sama tíma ásættanlega sjónræna eiginleika til að styðja við mögnun á multi-PW aflileysir. Það kemur í ljós að þegar DKDP kristalnum er dælt með tvöföldu tíðniljósi ND glerleysisins, ef burðarbylgjulengd magnaða púlsins er 910 nm, eru fyrstu þrjú liðin í Taylor stækkun á bylgjuvektor missamræmi 0.
Mynd 1 er skýringarmynd af XCELS leysikerfinu. Framendinn myndaði kvakandi femtósekúndupúlsa með miðbylgjulengd 910 nm (1,3 á mynd 1) og 1054 nm nanósekúndupúlsum sem sprautað var inn í OPCPA dælda leysirinn (1,1 og 1,2 á mynd 1). Framendinn tryggir einnig samstillingu þessara púlsa sem og nauðsynlegar orku- og tímabundnar breytur. Millistig OPCPA sem starfar á hærri endurtekningarhraða (1 Hz) magnar típta púlsinn upp í tugi júle (2 á mynd 1). Púlsinn er magnaður enn frekar með Booster OPCPA í einn kílójúúl geisla og skipt í 12 eins undirgeisla (4 á mynd 1). Í síðustu 12 OPCPA er hver af 12 típuðu ljóspúlsunum magnaður upp í kílójúúl stig (5 á mynd 1) og síðan þjappað saman með 12 þjöppunarristum (GC af 6 á mynd 1). Hljóðoptísk forritanleg dreifingarsía er notuð í framendanum til að stjórna nákvæmlega dreifingu hóphraða og dreifingu í háum röð til að fá sem minnstu mögulegu púlsbreidd. Púlsrófið hefur lögun næstum 12. stigs ofurgauss og litrófsbandbreiddin við 1% af hámarksgildinu er 150 nm, sem samsvarar Fourier umbreytingarmörkum púlsbreidd 17 fs. Miðað við ófullkomna dreifingaruppbót og erfiðleika ólínulegrar fasajöfnunar í parametrimögnurum, er áætluð púlsbreidd 20 fs.
XCELS leysirinn mun nota tvær 8 rása UFL-2M neodymium gler leysir tíðni tvöföldunareiningar (3 á mynd 1), þar af verða 13 rásir notaðar til að dæla Booster OPCPA og 12 loka OPCPA. Hinar þrjár rásirnar sem eftir eru verða notaðar sem óháðar nanósekúndu kílójóúl púlsaðarleysir uppspretturfyrir aðrar tilraunir. Takmörkuð af sjónrænni niðurbrotsþröskuldi DKDP kristallanna, er geislunarstyrkur dælda púlsins stilltur á 1,5 GW/cm2 fyrir hverja rás og lengdin er 3,5 ns.
Hver rás XCELS leysisins framleiðir púls með 50 PW afli. Alls veita 12 rásir heildarúttaksafl upp á 600 PW. Í aðalmarkhólfi er hámarksfókusstyrkur hverrar rásar við kjöraðstæður 0,44×1025 W/cm2, að því gefnu að F/1 fókuseiningar séu notaðir til að fókusa. Ef púls hverrar rásar er þjappað frekar saman í 2,6 fs með eftirþjöppunartækni, verður samsvarandi úttakspúlsafl aukið í 230 PW, sem samsvarar ljósstyrknum 2,0×1025 W/cm2.
Til að ná meiri ljósstyrk, við 600 PW úttak, verða ljóspúlsarnir í rásunum 12 fókusaðir í rúmfræði öfugs tvípólsgeislunar, eins og sýnt er á mynd 2. Þegar púlsfasinn í hverri rás er ekki læstur getur fókusstyrkurinn ná 9×1025 W/cm2. Ef hver púlsfasi er læstur og samstilltur mun samfelldur ljósstyrkur sem myndast aukast í 3,2×1026 W/cm2. Til viðbótar við aðalmarkrýmið inniheldur XCELS verkefnið allt að 10 notendarannsóknarstofur, sem hver fær einn eða fleiri geisla fyrir tilraunir. Með því að nota þetta afar sterka ljóssvið ætlar XCELS-verkefnið að gera tilraunir í fjórum flokkum: skammtafræðiferla í sterkum leysisviðum; Framleiðsla og hröðun agna; Myndun efri rafsegulgeislunar; Stjörnueðlisfræði rannsóknarstofu, ferli með mikilli orkuþéttleika og greiningarrannsóknir.
MYND. 2 Rúmfræði fókus í aðalmarkhólfinu. Til glöggvunar er fleygbogi spegill geisla 6 stilltur á gagnsæ og inntaks- og úttaksgeislar sýna aðeins tvær rásir 1 og 7
Mynd 3 sýnir rýmisskipulag hvers virknisvæðis XCELS leysikerfisins í tilraunabyggingunni. Rafmagn, tómarúmdælur, vatnshreinsun, hreinsun og loftkæling eru í kjallara. Heildarbyggingarsvæði er meira en 24.000 m2. Heildaraflnotkun er um 7,5 MW. Tilraunabyggingin samanstendur af innri holri heildargrind og ytri hluta sem hvort um sig er byggt á tveimur ótengdum undirstöðum. Tómarúmið og önnur titringsörvandi kerfi eru sett upp á titringseinangraða grunninn, þannig að amplitude truflunarinnar sem send er til leysikerfisins í gegnum grunninn og stuðninginn minnkar í minna en 10-10 g2/Hz á tíðnisviðinu 1-200 Hz. Auk þess er sett upp net jarðfræðiviðmiðunarmerkja í leysisalnum til að fylgjast markvisst með reki jarðvegs og búnaðar.
XCELS verkefnið miðar að því að búa til stóra vísindarannsóknaraðstöðu sem byggir á mjög hámarksafli leysigeisla. Ein rás XCELS leysikerfisins gæti veitt fókus ljósstyrk nokkrum sinnum hærri en 1024 W/cm2, sem hægt er að fara enn frekar yfir um 1025 W/cm2 með eftirþjöppunartækni. Með tvípólsfókuspúlsum frá 12 rásum í leysikerfinu er hægt að ná styrk nálægt 1026 W/cm2 jafnvel án eftirþjöppunar og fasalæsingar. Ef fasasamstilling milli rása er læst verður ljósstyrkurinn nokkrum sinnum hærri. Með því að nota þessa met-slæðu púlsstyrk og fjölrása geislaskipulagið mun framtíðar XCELS stöðin geta framkvæmt tilraunir með mjög háum styrkleika, flóknum ljóssviðsdreifingum og greina víxlverkanir með því að nota fjölrása leysigeisla og aukageislun. Þetta mun gegna einstöku hlutverki á sviði ofursterkrar rafsegulsviðs tilraunaeðlisfræði.
Pósttími: 26. mars 2024