أعلن معهد الفيزياء التطبيقية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم مؤخراً عن مركز إكساوات لدراسة الضوء الشديد (XCELS)، وهو برنامج بحثي للأجهزة العلمية الكبيرة القائمة على تقنيات فائقة.ليزر عالي الطاقةيتضمن المشروع بناء مشروع ضخم للغايةليزر عالي الطاقةيعتمد هذا المشروع على تقنية تضخيم النبضات الضوئية البارامترية المُعدَّلة التردد في بلورات فوسفات ثنائي ديوتيريوم البوتاسيوم (DKDP، صيغته الكيميائية KD2PO4) ذات الفتحة الكبيرة، مع إنتاج إجمالي متوقع يبلغ 600 بيتاواط من ذروة طاقة النبضات. يقدم هذا العمل تفاصيل هامة ونتائج بحثية حول مشروع XCELS وأنظمة الليزر الخاصة به، واصفًا التطبيقات والتأثيرات المحتملة المتعلقة بتفاعلات المجال الضوئي فائقة القوة.
تم اقتراح برنامج XCELS في عام 2011 بهدف مبدئي هو تحقيق ذروة الطاقةليزرتبلغ قدرة خرج النبضة 200 بيكوواط، والتي تم تحديثها حاليًا إلى 600 بيكوواط.نظام ليزريعتمد على ثلاث تقنيات رئيسية:
(1) يتم استخدام تقنية تضخيم النبضات المتغيرة البارامترية البصرية (OPCPA) بدلاً من تقنية تضخيم النبضات المتغيرة التقليدية (تضخيم النبضات المتغيرة، OPCPA). CPA)؛
(2) باستخدام DKDP كوسط كسب، يتم تحقيق مطابقة الطور ذات النطاق العريض للغاية بالقرب من طول موجة 910 نانومتر؛
(3) يتم استخدام ليزر زجاجي نيوديميوم ذو فتحة كبيرة وطاقة نبضية تبلغ آلاف الجول لضخ مضخم بارامتري.
تُعدّ مطابقة الطور فائقة الاتساع شائعة في العديد من البلورات، وتُستخدم في ليزرات الفيمتو ثانية بتقنية تضخيم الطور البصري المستقطب (OPCPA). وتُستخدم بلورات DKDP لأنها المادة الوحيدة المتوفرة عمليًا التي يمكن إنتاجها بفتحات تصل إلى عشرات السنتيمترات، وفي الوقت نفسه تتمتع بخصائص بصرية مقبولة لدعم تضخيم طاقة متعددة البيتاواط.الليزر. وقد وجد أنه عندما يتم ضخ بلورة DKDP بواسطة ضوء التردد المزدوج لليزر الزجاجي ND، إذا كان الطول الموجي الحامل للنبضة المضخمة 910 نانومتر، فإن الحدود الثلاثة الأولى من توسيع تايلور لعدم تطابق متجه الموجة تساوي 0.
الشكل 1 هو مخطط تخطيطي لنظام ليزر XCELS. تُولّد الوحدة الأمامية نبضات فيمتوثانية مُعدَّلة التردد بطول موجي مركزي 910 نانومتر (1.3 في الشكل 1)، ونبضات نانوثانية بطول موجي 1054 نانومتر تُحقن في الليزر المُضخَّم بواسطة مُضخِّم الفوتونات الضوئية البارامترية (OPCPA) (1.1 و1.2 في الشكل 1). كما تضمن الوحدة الأمامية تزامن هذه النبضات، بالإضافة إلى الطاقة المطلوبة والمعلمات المكانية والزمانية. يقوم مُضخِّم OPCPA وسيط يعمل بتردد تكرار أعلى (1 هرتز) بتضخيم النبضة المُعدَّلة التردد إلى عشرات الجول (2 في الشكل 1). ثم يُضخَّم النبضة مرة أخرى بواسطة مُضخِّم OPCPA المُعزِّز إلى حزمة واحدة بالكيلوجول، ثم تُقسَّم إلى 12 حزمة فرعية متطابقة (4 في الشكل 1). في المرحلة الأخيرة من عملية تضخيم النبضات الضوئية المبرمجة صوتيًا (OPCPA)، يتم تضخيم كل نبضة من النبضات الضوئية الاثنتي عشرة المُعدَّلة التردد إلى مستوى الكيلوجول (5 في الشكل 1)، ثم يتم ضغطها بواسطة 12 محزز ضغط (GC رقم 6 في الشكل 1). يُستخدم مرشح التشتت القابل للبرمجة صوتيًا-بصريًا في المرحلة الأمامية للتحكم بدقة في تشتت سرعة المجموعة والتشتت عالي الرتبة، وذلك للحصول على أصغر عرض نبضة ممكن. يتميز طيف النبضة بشكل يشبه تقريبًا شكل غاوس الفائق من الرتبة الثانية عشرة، ويبلغ عرض النطاق الطيفي عند 1% من القيمة القصوى 150 نانومتر، وهو ما يتوافق مع حد عرض النبضة عند تحويل فورييه البالغ 17 فيمتوثانية. ونظرًا لعدم اكتمال تعويض التشتت وصعوبة تعويض الطور غير الخطي في المضخمات البارامترية، فإن عرض النبضة المتوقع هو 20 فيمتوثانية.
سيستخدم ليزر XSELS وحدتين لمضاعفة تردد ليزر زجاج النيوديميوم UFL-2M ثماني القنوات (3 في الشكل 1)، حيث ستُستخدم 13 قناة منها لضخ مضخم OPCPA المعزز و12 قناة لضخ مضخم OPCPA النهائي. أما القنوات الثلاث المتبقية فستُستخدم كنبضات نانوثانية كيلوجول مستقلة.مصادر الليزربالنسبة للتجارب الأخرى. وبسبب محدودية عتبة الانهيار الضوئي لبلورات DKDP، تم ضبط شدة الإشعاع للنبضة المضخوخة على 1.5 جيجاواط/سم2 لكل قناة، وكانت مدتها 3.5 نانوثانية.
تُنتج كل قناة من قنوات ليزر XSELS نبضات بقدرة 50 بيتاواط. توفر القنوات الاثنتي عشرة مجتمعةً قدرة خرج إجمالية قدرها 600 بيتاواط. في حجرة الهدف الرئيسية، تبلغ أقصى شدة تركيز لكل قناة في الظروف المثالية 0.44 × 10²⁵ واط/سم²، بافتراض استخدام عناصر تركيز F/1. إذا تم ضغط نبضة كل قناة إلى 2.6 فيمتوثانية باستخدام تقنية الضغط اللاحق، ستزداد قدرة نبضة الخرج المقابلة إلى 230 بيتاواط، ما يُعادل شدة إضاءة قدرها 2.0 × 10²⁵ واط/سم².
لتحقيق شدة إضاءة أعلى، عند خرج طاقة 600 بيتاواط، سيتم تركيز نبضات الضوء في القنوات الاثنتي عشرة وفقًا لهندسة إشعاع ثنائي القطب المعكوس، كما هو موضح في الشكل 2. عندما لا يكون طور النبضة في كل قناة متزامنًا، يمكن أن تصل شدة التركيز إلى 9×10²⁵ واط/سم². أما إذا كان طور كل نبضة متزامنًا، فستزداد شدة الضوء المتماسك الناتج إلى 3.2×10²⁶ واط/سم². بالإضافة إلى غرفة الهدف الرئيسية، يضم مشروع XCELS ما يصل إلى 10 مختبرات مستخدمين، يستقبل كل منها شعاعًا واحدًا أو أكثر لإجراء التجارب. باستخدام هذا المجال الضوئي القوي للغاية، يخطط مشروع XCELS لإجراء تجارب في أربع فئات: عمليات الديناميكا الكهربائية الكمومية في مجالات الليزر المكثفة؛ إنتاج وتسريع الجسيمات؛ توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي الثانوي؛ الفيزياء الفلكية المختبرية، وعمليات كثافة الطاقة العالية، والبحوث التشخيصية.
الشكل 2: هندسة التركيز في حجرة الهدف الرئيسية. ولتوضيح الصورة، تم ضبط المرآة المكافئة للشعاع 6 على وضع الشفافية، ويظهر شعاعا الإدخال والإخراج قناتين فقط 1 و7.
يوضح الشكل 3 التوزيع المكاني لكل منطقة وظيفية من نظام ليزر XCELS في المبنى التجريبي. تقع أنظمة الكهرباء، ومضخات التفريغ، ومعالجة المياه، والتنقية، وتكييف الهواء في الطابق السفلي. تبلغ مساحة البناء الإجمالية أكثر من 24,000 متر مربع، ويبلغ إجمالي استهلاك الطاقة حوالي 7.5 ميغاواط. يتكون المبنى التجريبي من هيكل داخلي مجوف وقسم خارجي، كل منهما مبني على أساسين منفصلين. تم تركيب أنظمة التفريغ وغيرها من الأنظمة المولدة للاهتزازات على الأساس المعزول عن الاهتزازات، بحيث يتم تقليل سعة الاضطراب المنتقل إلى نظام الليزر عبر الأساس والدعامة إلى أقل من 10-10 غرام مربع/هرتز في نطاق التردد من 1 إلى 200 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، تم إنشاء شبكة من علامات مرجعية جيوديسية في قاعة الليزر لمراقبة انحراف الأرض والمعدات بشكل منهجي.
يهدف مشروع XCELS إلى إنشاء مرفق بحثي علمي ضخم يعتمد على ليزرات ذات قدرة ذروة عالية للغاية. قد توفر قناة واحدة من نظام ليزر XCELS شدة ضوئية مركزة أعلى بعدة مرات من 10²⁴ واط/سم²، ويمكن تجاوزها إلى 10²⁵ واط/سم² باستخدام تقنية الضغط اللاحق. ومن خلال تركيز النبضات ثنائية القطب من 12 قناة في نظام الليزر، يمكن تحقيق شدة تقارب 10²⁶ واط/سم² حتى بدون الضغط اللاحق أو تزامن الطور. وفي حال تزامن الطور بين القنوات، ستكون شدة الضوء أعلى بعدة مرات. وباستخدام هذه الشدات النبضية القياسية وتصميم الحزمة متعدد القنوات، سيتمكن مرفق XCELS المستقبلي من إجراء تجارب ذات شدة عالية للغاية، وتوزيعات معقدة لحقل الضوء، وتشخيص التفاعلات باستخدام حزم ليزر متعددة القنوات والإشعاع الثانوي. وسيلعب هذا دورًا فريدًا في مجال الفيزياء التجريبية للحقول الكهرومغناطيسية فائقة القوة.
تاريخ النشر: 26 مارس 2024