Nýlega kynnti Hagnýtt eðlisfræðistofnun Rússnesku vísindaakademíunnar eXawatt miðstöðina fyrir rannsóknir á öfgakenndu ljósi (XCELS), rannsóknarverkefni fyrir stór vísindatæki sem byggja á afar öflugum ljósgjöfum.öflugir leysirVerkefnið felur í sér byggingu á mjögöflugur leysirbyggt á ljósfræðilegri breytubundinni púlsmagnunartækni í stórum kalíumdídeuteríumfosfat (DKDP, efnaformúla KD2PO4) kristöllum, með áætlaðri heildarafköstum upp á 600 PW hámarksaflspúlsa. Þessi vinna veitir mikilvægar upplýsingar og rannsóknarniðurstöður um XCELS verkefnið og leysigeislakerfi þess, lýsir notkun og hugsanlegum áhrifum sem tengjast víxlverkunum milli afarsterkra ljóssviða.
XCELS verkefnið var lagt til árið 2011 með það upphaflega markmið að ná hámarksafli.leysirpúlsúttak upp á 200 PW, sem er nú uppfært í 600 PW. Það erleysikerfibyggir á þremur lykiltækni:
(1) Tækni sem kallast Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) er notuð í stað hefðbundinnar tækni sem kallast Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) Með því að nota DKDP sem styrkingarmiðil er hægt að ná fram öfgabreiðbands fasajöfnun nálægt 910 nm bylgjulengd;
(3) Stór neodymium glerlaser með púlsorku upp á þúsundir joula er notaður til að dæla breytumagnara.
Ofurbreiðbands fasajöfnun er algeng í mörgum kristöllum og er notuð í OPCPA femtósekúndu leysigeislum. DKDP kristallar eru notaðir vegna þess að þeir eru eina efnið sem finnst í reynd sem hægt er að stækka upp í tugi sentimetra ljósop og hafa á sama tíma ásættanlega ljósfræðilega eiginleika til að styðja við mögnun á fjöl-PW afli.leysirÞað hefur komið í ljós að þegar DKDP-kristallinn er dæltur með tvöfaldri tíðni ljósi frá ND-glerleysi, og ef burðarbylgjulengd magnaða púlsins er 910 nm, þá eru fyrstu þrír liðirnir í Taylor-útvíkkun bylgjuvigurmisræmisins 0.
Mynd 1 sýnir skýringarmynd af XCELS leysigeislakerfinu. Framhliðin myndaði kvittrandi femtósekúndu púlsa með miðbylgjulengd 910 nm (1,3 á mynd 1) og 1054 nm nanósekúndu púlsa sem sprautaðir voru inn í OPCPA dæluleysirinn (1,1 og 1,2 á mynd 1). Framhliðin tryggir einnig samstillingu þessara púlsa sem og nauðsynlega orku og rúmfræðilega og tímabundna breytur. Millistig OPCPA sem starfar við hærri endurtekningartíðni (1 Hz) magnar kvittrandi púlsinn upp í tugi joula (2 á mynd 1). Púlsinn er enn frekar magnaður af Booster OPCPA í einn kílójoule geisla og skipt í 12 eins undirgeisla (4 á mynd 1). Í síðustu 12 OPCPA er hver af 12 kvittrandi ljóspúlsunum magnaður upp í kílójoule stig (5 á mynd 1) og síðan þjappaður með 12 þjöppunarristum (GC 6 á mynd 1). Hljóð-sjónrænt forritanlegt dreifingarsía er notuð í framendanum til að stjórna nákvæmlega dreifingu hóphraða og dreifingu af hærri röð, til að fá sem minnstu mögulegu púlsbreidd. Púlsrófið hefur lögun sem er næstum 12. stigs ofurgauss, og litrófsbandvíddin við 1% af hámarksgildinu er 150 nm, sem samsvarar Fourier umbreytingarmörkum púlsbreiddar upp á 17 fs. Miðað við ófullkomna dreifingarbætur og erfiðleika við ólínulega fasabætur í breytumögnurum, er væntanleg púlsbreidd 20 fs.
XCELS leysirinn mun nota tvær 8 rása UFL-2M neodymium gler leysigeisla með tvöföldun tíðni (3 á mynd 1), þar af verða 13 rásir notaðar til að dæla Booster OPCPA og 12 loka OPCPA. Hinar þrjár rásirnar verða notaðar sem sjálfstæðar nanósekúndukílójúl púlsaðar.leysigeislagjafarfyrir aðrar tilraunir. Geislunarstyrkur dælta púlsins er takmarkaður af ljósbrotsþröskuldi DKDP kristallanna og er stilltur á 1,5 GW/cm2 fyrir hverja rás og lengdin er 3,5 ns.
Hver rás XCELS leysigeislans framleiðir púlsa með afli upp á 50 PW. Alls veita 12 rásir heildarúttaksafl upp á 600 PW. Í aðalmarkmiðshólfinu er hámarksfókusstyrkur hverrar rásar við kjöraðstæður 0,44 × 1025 W/cm2, að því gefnu að F/1 fókusþættir séu notaðir til fókusunar. Ef púls hverrar rásar er þjappaður frekar niður í 2,6 fs með eftirþjöppunartækni, mun samsvarandi úttakspúlsafl aukast í 230 PW, sem samsvarar ljósstyrk upp á 2,0 × 1025 W/cm2.
Til að ná meiri ljósstyrk, við 600 PW úttak, verða ljóspúlsarnir í 12 rásunum einbeittir í rúmfræði öfugrar tvípólgeislunar, eins og sýnt er á mynd 2. Þegar púlsfasinn í hverri rás er ekki læstur getur einbeitingarstyrkurinn náð 9×1025 W/cm2. Ef hver púlsfasi er læstur og samstilltur, mun samfellda ljósstyrkurinn aukast í 3,2×1026 W/cm2. Auk aðalmarkmiðsherbergisins felur XCELS verkefnið í sér allt að 10 notendarannsóknarstofur, þar sem hver tekur við einum eða fleiri geislum fyrir tilraunir. Með því að nota þetta afar sterka ljóssvið hyggst XCELS verkefnið framkvæma tilraunir í fjórum flokkum: skammtarafdýnamísk ferli í öflugum leysigeislasviðum; framleiðslu og hröðun agna; myndun annars stigs rafsegulgeislunar; rannsóknarstofufræðileg stjarneðlisfræði, ferli með mikla orkuþéttleika og greiningarrannsóknir.
MYND 2 Fókusrúmfræði í aðalmarkmiðshólfinu. Til glöggvunar er parabólíski spegillinn á geisla 6 stilltur á gegnsæjan hátt og inntaks- og úttaksgeislarnir sýna aðeins tvær rásir 1 og 7.
Mynd 3 sýnir rýmisskipulag hvers virknissvæðis XCELS leysigeislakerfisins í tilraunahúsinu. Rafmagn, lofttæmisdælur, vatnshreinsun, hreinsun og loftkæling eru staðsett í kjallara. Heildarbyggingarflatarmálið er meira en 24.000 m2. Heildarorkunotkunin er um 7,5 MW. Tilraunahúsið samanstendur af innri holum heildargrind og ytri hluta, hvor um sig byggðan á tveimur ótengdum undirstöðum. Lofttæmis- og önnur titringskerfi eru sett upp á titringseinangruðum undirstöðum, þannig að sveifluvídd truflunar sem berst til leysigeislakerfisins í gegnum undirstöður og undirstöður er minnkuð niður í 10-10 g2/Hz á tíðnibilinu 1-200 Hz. Að auki er net jarðfræðilegra viðmiðunarmerkja sett upp í leysigeislasalnum til að fylgjast kerfisbundið með reki jarðar og búnaðar.
XCELS verkefnið miðar að því að skapa stóra vísindarannsóknaraðstöðu sem byggir á leysigeislum með afar háum hámarksafli. Ein rás XCELS leysigeislakerfisins gæti veitt einbeittan ljósstyrk sem er nokkrum sinnum hærri en 1024 W/cm2, sem hægt er að fara enn frekar yfir um 1025 W/cm2 með eftirþjöppunartækni. Með tvípóla-einbeitingu púlsa frá 12 rásum í leysigeislakerfinu er hægt að ná styrkleika sem er nálægt 1026 W/cm2 jafnvel án eftirþjöppunar og fasa læsingar. Ef fasa samstillingin milli rása er læst verður ljósstyrkurinn nokkrum sinnum hærri. Með þessum metpúlsstyrkleika og fjölrása geislauppsetningu mun framtíðar XCELS aðstaðan geta framkvæmt tilraunir með afar miklum styrk, flóknum ljóssviðsdreifingum og greint víxlverkanir með því að nota fjölrása leysigeisla og annars stigs geislun. Þetta mun gegna einstöku hlutverki á sviði tilraunaeðlisfræði með ofursterkum rafsegulsviðum.
Birtingartími: 26. mars 2024