في الآونة الأخيرة، قدم معهد الفيزياء التطبيقية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم مركز eXawatt لدراسة الضوء الشديد (XCELS)، وهو برنامج بحثي للأجهزة العلمية الكبيرة القائمة على الضوء الشديدليزر عالي الطاقةيتضمن المشروع إنشاء مبنى كبير جدًاليزر عالي الطاقةيعتمد هذا العمل على تقنية تضخيم النبضات التغريدية البصرية البارامترية في بلورات فوسفات ثنائي الديوتيريوم البوتاسيوم (DKDP، الصيغة الكيميائية KD2PO4) ذات الفتحة الكبيرة، ومن المتوقع أن ينتج نبضات طاقة ذروة تبلغ 600 بيتا وات. يقدم هذا العمل تفاصيل ونتائج بحثية مهمة حول مشروع XCELS وأنظمة الليزر الخاصة به، ويصف التطبيقات والآثار المحتملة المتعلقة بتفاعلات مجال الضوء فائق القوة.
تم اقتراح برنامج XCELS في عام 2011 بهدف أولي يتمثل في تحقيق ذروة الطاقةالليزرخرج نبضي بقوة 200 PW، والذي تمت ترقيته حاليًا إلى 600 PW.نظام الليزرتعتمد على ثلاث تقنيات رئيسية:
(1) يتم استخدام تقنية تضخيم النبضات التغريدية البصرية البارامترية (OPCPA) بدلاً من تقنية تضخيم النبضات التغريدية التقليدية (تقنية تضخيم النبضات التغريدية، OPCPA).
(2) باستخدام DKDP كوسيلة كسب، يتم تحقيق مطابقة الطور فائقة النطاق بالقرب من طول موجة 910 نانومتر؛
(3) يتم استخدام ليزر زجاجي نيوديميوم ذو فتحة كبيرة مع طاقة نبضية تبلغ آلاف الجول لضخ مكبر بارامتري.
تُستخدم مطابقة الطور فائقة الاتساع على نطاق واسع في العديد من البلورات، وتُستخدم في ليزرات الفمتوثانية OPCPA. تُستخدم بلورات DKDP لأنها المادة الوحيدة المتوفرة عمليًا التي يمكن تنميتها إلى فتحة عشرات السنتيمترات، وفي الوقت نفسه تتمتع بخصائص بصرية مقبولة لدعم تضخيم الطاقة متعددة الموجات.الليزروجد أنه عندما يتم ضخ بلورة DKDP بواسطة ضوء التردد المزدوج لليزر الزجاجي ND، إذا كان طول موجة الناقل للنبضة المكبرة 910 نانومتر، فإن المصطلحات الثلاثة الأولى لتوسع تايلور لعدم تطابق متجه الموجة هي 0.
الشكل 1 هو مخطط تخطيطي لنظام ليزر XCELS. ولّدت الواجهة الأمامية نبضات فمتوثانية مُغرّدة بطول موجي مركزي 910 نانومتر (1.3 في الشكل 1) ونبضات نانوثانية بطول 1054 نانومتر، حُقنت في ليزر OPCPA المُضخّ (1.1 و1.2 في الشكل 1). كما تضمن الواجهة الأمامية تزامن هذه النبضات، بالإضافة إلى الطاقة المطلوبة والمعلمات المكانية والزمانية. يُضخّم مُضخّم OPCPA وسيط يعمل بمعدل تكرار أعلى (1 هرتز) النبضة المُغرّدة إلى عشرات الجول (جولتان في الشكل 1). ثم يُضخّم مُضخّم OPCPA المُعزّز النبضة إلى شعاع واحد من الكيلوجول، ويُقسّم إلى 12 شعاعًا فرعيًا متطابقًا (4 في الشكل 1). في آخر ١٢ OPCPA، تُضخَّم كل نبضة من نبضات الضوء المُغرِّدة الاثنتي عشرة إلى مستوى الكيلوجول (٥ في الشكل ١)، ثم تُضغط بواسطة ١٢ شبكة ضغط (GC ٦ في الشكل ١). يُستخدم مُرشِّح التشتت الصوتي البصري القابل للبرمجة في الواجهة الأمامية للتحكم الدقيق في تشتت سرعة المجموعة والتشتت عالي الرتبة، وذلك للحصول على أصغر عرض نبضة ممكن. يتخذ طيف النبضة شكل supergauss من الدرجة الثانية عشرة تقريبًا، ويبلغ عرض النطاق الطيفي عند ١٪ من القيمة القصوى ١٥٠ نانومتر، وهو ما يُقابل عرض نبضة حد تحويل فورييه البالغ ١٧ فيمتو ثانية. وبالنظر إلى تعويض التشتت غير الكامل وصعوبة تعويض الطور غير الخطي في المُضخِّمات البارامترية، فإن عرض النبضة المتوقع هو ٢٠ فيمتو ثانية.
سيستخدم ليزر XCELS وحدتي مضاعفة تردد ليزر زجاج النيوديميوم UFL-2M ثماني القنوات (ثلاث في الشكل 1)، منها 13 قناة لضخ معزز OPCPA و12 قناة نهائية OPCPA. أما القنوات الثلاث المتبقية، فستُستخدم كنبضات نانوثانية كيلوجول مستقلة.مصادر الليزرلتجارب أخرى. بناءً على عتبة الانهيار الضوئي لبلورات DKDP، تُضبط شدة إشعاع النبضة المضخوخة على 1.5 جيجاواط/سم² لكل قناة، ومدة النبضة 3.5 نانوثانية.
تُنتج كل قناة من قنوات ليزر XCELS نبضات بقوة 50 بيز وات. يوفر إجمالي 12 قناة طاقة خرج إجمالية قدرها 600 بيز وات. في حجرة الهدف الرئيسية، تبلغ أقصى شدة تركيز لكل قناة في الظروف المثالية 0.44×1025 واط/سم²، بافتراض استخدام عناصر تركيز F/1 للتركيز. إذا تم ضغط نبضة كل قناة إلى 2.6 في الثانية بتقنية الضغط اللاحق، فستزداد طاقة النبضة الناتجة المقابلة إلى 230 بيز وات، أي ما يعادل شدة ضوء 2.0×1025 واط/سم².
لتحقيق شدة ضوء أكبر، عند خرج 600 PW، سيتم تركيز نبضات الضوء في القنوات الـ 12 في هندسة إشعاع ثنائي القطب العكسي، كما هو موضح في الشكل 2. عندما لا يتم قفل طور النبضة في كل قناة، يمكن أن تصل شدة التركيز إلى 9 × 1025 واط/سم². إذا تم قفل كل طور نبضة ومزامنته، فستزداد شدة الضوء الناتجة المتماسكة إلى 3.2 × 1026 واط/سم². بالإضافة إلى غرفة الهدف الرئيسية، يتضمن مشروع XCELS ما يصل إلى 10 مختبرات مستخدمة، يستقبل كل منها شعاعًا واحدًا أو أكثر للتجارب. باستخدام هذا المجال الضوئي القوي للغاية، يخطط مشروع XCELS لإجراء تجارب في أربع فئات: عمليات الديناميكا الكهربائية الكمومية في حقول الليزر المكثفة؛ إنتاج وتسريع الجسيمات؛ توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي الثانوي؛ الفيزياء الفلكية المعملية، وعمليات كثافة الطاقة العالية، والبحوث التشخيصية.
الشكل 2: هندسة التركيز في حجرة الهدف الرئيسية. للتوضيح، المرآة المكافئة للشعاع 6 مُعدّلة على وضع الشفافية، وتُظهر حزمتا الإدخال والإخراج قناتين فقط 1 و7.
يوضح الشكل 3 التوزيع المكاني لكل منطقة وظيفية في نظام ليزر XCELS في المبنى التجريبي. تقع الكهرباء ومضخات التفريغ ومعالجة المياه وتنقيتها وتكييف الهواء في الطابق السفلي. تبلغ مساحة البناء الإجمالية أكثر من 24,000 متر مربع. يبلغ إجمالي استهلاك الطاقة حوالي 7.5 ميجاوات. يتكون المبنى التجريبي من إطار داخلي مجوف وقسم خارجي، كل منهما مبني على أساسين منفصلين. تم تركيب أنظمة التفريغ وغيرها من أنظمة تحفيز الاهتزاز على الأساس المعزول للاهتزازات، بحيث يتم تقليل سعة الاضطراب المنقول إلى نظام الليزر عبر الأساس والدعامة إلى أقل من 10-10 غ²/هرتز في نطاق ترددي يتراوح بين 1-200 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، تم تركيب شبكة من علامات مرجعية جيوديسية في قاعة الليزر لمراقبة انحراف الأرض والمعدات بشكل منهجي.
يهدف مشروع XCELS إلى إنشاء منشأة بحثية علمية ضخمة تعتمد على ليزرات ذات طاقة ذروة عالية للغاية. يمكن لقناة واحدة من نظام ليزر XCELS توفير شدة ضوء مركزة أعلى بعدة مرات من 1024 واط/سم²، والتي يمكن تجاوزها بمقدار 1025 واط/سم² باستخدام تقنية ما بعد الضغط. من خلال تركيز نبضات ثنائي القطب من 12 قناة في نظام الليزر، يمكن تحقيق شدة قريبة من 1026 واط/سم² حتى بدون ما بعد الضغط وقفل الطور. في حال قفل مزامنة الطور بين القنوات، ستكون شدة الضوء أعلى بعدة مرات. باستخدام هذه الشدة النبضية القياسية وتصميم الشعاع متعدد القنوات، ستتمكن منشأة XCELS المستقبلية من إجراء تجارب ذات شدة عالية للغاية وتوزيعات معقدة لحقول الضوء، وتشخيص التفاعلات باستخدام أشعة الليزر متعددة القنوات والإشعاع الثانوي. سيلعب هذا دورًا فريدًا في مجال الفيزياء التجريبية للمجال الكهرومغناطيسي فائق القوة.
وقت النشر: ٢٦ مارس ٢٠٢٤