في الآونة الأخيرة ، قدم معهد الفيزياء التطبيقية في الأكاديمية الروسية للعلوم مركز Exawatt لدراسة الإضاءة المتطرفة (Xcels) ، وهو برنامج بحث للأجهزة العلمية الكبيرة القائمة على للغايةأشعة الليزر عالية الطاقة. يشمل المشروع بناء جداالليزر عالية الطاقةاستنادًا إلى تقنية تضخيم النبض البصرية البصرية في الفوسفات البوتاسيوم الكبير البوتاسيوم (DKDP ، بلورات كيميائية KD2PO4) ، مع إجمالي إجمالي متوقع من 600 نبضات ذروة PW. يوفر هذا العمل تفاصيل مهمة ونتائج بحثية حول مشروع XCELS وأنظمة الليزر الخاصة به ، واصفًا التطبيقات والتأثيرات المحتملة المتعلقة بالتفاعلات الحقل الضوئي الشديد.
تم اقتراح برنامج XCELS في عام 2011 بهدف أولي هو تحقيق قوة ذروةالليزرناتج النبض من 200 PW ، والذي تمت ترقيته حاليًا إلى 600 PW. إنهنظام الليزريعتمد على ثلاث تقنيات رئيسية:
(1) تقنية تضخيم النبض البصري البصري (OPCPA) يتم استخدامها بدلاً من تضخيم النبض التقليدي (تضخيم النبض المتساقط ، OPCPA). CPA) التكنولوجيا ؛
(2) باستخدام DKDP كوسيط الكسب ، يتم تحقيق مطابقة النطاق العريض للغاية بالقرب من طول الموجة 910 نانومتر ؛
(3) يتم استخدام الليزر الزجاجي النيوديميوم الفتحة الكبيرة التي يتم استخدامها مع طاقة نبض من الآلاف من joules لضخ مكبر صوت حدودي.
تم العثور على مطابقة مرحلة النطاق الفائق على نطاق واسع في العديد من البلورات ويستخدم في الليزر OPCPA FemtoSecond. يتم استخدام بلورات DKDP لأنها المادة الوحيدة الموجودة في الممارسة التي يمكن زراعتها إلى عشرات سنتيمترات من الفتحة وفي الوقت نفسه لها صفات بصرية مقبولة لدعم تضخيم قوة متعددة PWالليزر. لقد وجد أنه عندما يتم ضخ بلورة DKDP بواسطة ضوء التردد المزدوج للليزر الزجاجي ND ، إذا كان الطول الموجي لحامل النبض المضخم 910 نانومتر ، فإن المصطلحات الثلاثة الأولى من توسع تايلور في عدم تطابق متجه الموجة هي 0.
الشكل 1 هو تخطيط تخطيطي لنظام الليزر Xcels. نبضات FemtoSecond التي تم إنشاؤها في الواجهة الأمامية ذات الطول الموجي المركزي 910 نانومتر (1.3 في الشكل 1) و 1054 نانومتر نبضات نانو ثانية تم حقنها في الليزر الضخ OPCPA (1.1 و 1.2 في الشكل 1). تضمن الواجهة الأمامية أيضًا مزامنة هذه النبضات وكذلك المعلمات المطلوبة للطاقة والزمانية المكانية. يؤدي OPCPA الوسيط الذي يعمل بمعدل تكرار أعلى (1 هرتز) إلى تضخيم النبض المغطى بعشرات joules (2 في الشكل 1). يتم تضخيم النبض أكثر من قبل الداعم OPCPA في شعاع كيلوجول واحد ويقسم إلى 12 حزمة فرعية متطابقة (4 في الشكل 1). في آخر 12 OPCPA ، يتم تضخيم كل من نبضات الضوء الـ 12 المغطاة بمستوى Kilojoule (5 في الشكل 1) ثم مضغوطة بواسطة 12 حواجز ضغط (GC من 6 في الشكل 1). يتم استخدام مرشح التشتت القابل للبرمجة الصوتية في الواجهة الأمامية للتشتت بالتحكم في سرعة المجموعة على وجه التحديد وتشتت عالي الترتيب ، وذلك للحصول على أصغر عرض نبض ممكن. يتراوح طيف النبضات من ما يقرب من 12 من الدرجة الثانية عشرة ، وعرض النطاق الترددي الطيفي عند 1 ٪ من القيمة القصوى هو 150 نانومتر ، وهو ما يتوافق مع عرض نبضات الحد الأقصى لفورييه البالغ 17 FS. بالنظر إلى تعويض التشتت غير المكتمل وصعوبة تعويض الطور غير الخطي في مضخمات البارامترية ، فإن عرض النبض المتوقع هو 20 FS.
سيستخدم ليزر XCELS اثنين من قناة UFL-2M Neodymium Glass Laser Laser Modules (3 في الشكل 1) ، منها 13 قناة سيتم استخدامها لضخ معززة OPCPA و 12 نهائيًا OPCPA. سيتم استخدام القنوات الثلاثة المتبقية كقنوات نانوية مستقلةمصادر الليزرلتجارب أخرى. يقتصر على عتبة الانهيار البصري لبلورات DKDP ، يتم ضبط كثافة التشعيع للنبض الضخ على 1.5 جيجاوات/سم 2 لكل قناة والمدة 3.5 نانو ثانية.
تنتج كل قناة من ليزر Xcels نبضات بقوة 50 PW. يوفر ما مجموعه 12 قناة طاقة إجمالية إجمالي قدرها 600 PW. في الغرفة المستهدفة الرئيسية ، يكون الحد الأقصى لشدة التركيز لكل قناة في ظل الظروف المثالية 0.44 × 1025 واط/سم 2 ، على افتراض أن عناصر التركيز F/1 تستخدم للتركيز. إذا تم ضغط نبض كل قناة إلى 2.6 FS بواسطة تقنية ما بعد الضغط ، فسيتم زيادة طاقة نبض الخرج المقابلة إلى 230 PW ، المقابلة لكثافة الضوء 2.0 × 1025 واط/سم 2.
لتحقيق كثافة أكبر للضوء ، عند إخراج 600 PW ، ستركز نبضات الضوء في القناة الـ 12 في هندسة إشعاع ثنائي القطب العكسي ، كما هو مبين في الشكل 2. عندما لا تكون مرحلة النبض في كل قناة مقفلة ، يمكن أن تصل شدة التركيز إلى 9 × 1025 واط 2. إذا تم قفل كل مرحلة نبض ومزامنة ، فسيتم زيادة كثافة الضوء الناتجة المتماسكة إلى 3.2 × 1026 واط/سم 2. بالإضافة إلى الغرفة المستهدفة الرئيسية ، يتضمن مشروع XCELs ما يصل إلى 10 مختبرات مستخدمين ، كل منها يتلقى عوارضًا أو أكثر للتجارب. باستخدام هذا الحقل الإضاءة القوي للغاية ، يخطط مشروع XCELs لإجراء تجارب في أربع فئات: عمليات الديناميكا الكهربائية الكمومية في حقول الليزر المكثفة ؛ إنتاج وتسارع الجسيمات ؛ توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي الثانوي ؛ الفيزياء الفلكية المختبرية ، وعمليات كثافة الطاقة العالية والبحوث التشخيصية.
تين. 2 تركيز الهندسة في الغرفة المستهدفة الرئيسية. للتوضيح ، يتم ضبط المرآة المكافئة للشعاع 6 على شفاف ، وتظهر حزم الإدخال والإخراج قناتين فقط 1 و 7
يوضح الشكل 3 التصميم المكاني لكل منطقة وظيفية لنظام الليزر Xcels في المبنى التجريبي. توجد الكهرباء ومضخات الفراغ ومعالجة المياه والتنقية وتكييف الهواء في الطابق السفلي. إجمالي مساحة البناء هو أكثر من 24000 متر مربع. إجمالي استهلاك الطاقة هو حوالي 7.5 ميجاوات. يتكون المبنى التجريبي من إطار إجمالي جوفاء داخلي وقسم خارجي ، كل منهما مبني على اثنين من الأسس المنفصلة. يتم تثبيت الفراغ والأنظمة الأخرى التي تحفز الاهتزاز على الأساس المعزول عن الاهتزاز ، بحيث يتم تقليل سعة الاضطراب المنقولة إلى نظام الليزر من خلال الأساس ويتم تقليل الدعم إلى أقل من 10-10 G2/هرتز في نطاق التردد الذي يتراوح بين 1-200 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنشاء شبكة من علامات المرجع الجيوديسية في قاعة الليزر لمراقبة انجراف الأرض والمعدات بشكل منهجي.
يهدف مشروع XCELS إلى إنشاء منشأة بحث علمية كبيرة تعتمد على الليزر ذي الذروة العالية للغاية. قد توفر قناة واحدة من نظام الليزر XCELS شدة ضوء مركزة عدة مرات أعلى من 1024 واط/سم 2 ، والتي يمكن تجاوزها بمقدار 1025 واط/سم 2 مع تقنية ما بعد الضغط. من خلال نبضات تركز ثنائي القطب من 12 قناة في نظام الليزر ، يمكن تحقيق شدة تقرب من 1026 واط/سم 2 حتى بدون ضغط ما بعد الضغط وقفل الطور. إذا تم قفل مزامنة الطور بين القنوات ، فستكون شدة الضوء أعلى عدة مرات. باستخدام شدة النبض التي تحطمت السجلات هذه وتخطيط الشعاع متعدد القنوات ، ستتمكن منشأة Xcels المستقبلية من إجراء تجارب ذات شدة عالية للغاية ، وتوزيعات حقل الضوء المعقدة ، وتشخيص التفاعلات باستخدام حزم ليزر متعددة القنوات والإشعاع الثانوي. هذا سوف يلعب دورًا فريدًا في مجال الفيزياء التجريبية الكهرومغناطيسية الفائقة.
وقت النشر: MAR-26-2024