في الآونة الأخيرة، قدم معهد الفيزياء التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الروسية مركز eXawatt لدراسة الضوء الشديد (XCELS)، وهو برنامج بحثي للأجهزة العلمية الكبيرة يعتمد على تقنيات شديدة الضوء.ليزر عالي الطاقة. يتضمن المشروع بناء جداليزر عالي الطاقةاستنادًا إلى تقنية تضخيم النبضات النبضية البارامترية البصرية في بلورات فوسفات ديديوتيريوم البوتاسيوم ذات الفتحة الكبيرة (DKDP، الصيغة الكيميائية KD2PO4)، مع إجمالي إنتاج متوقع يبلغ 600 PW من نبضات الطاقة القصوى. يوفر هذا العمل تفاصيل مهمة ونتائج بحثية حول مشروع XCELS وأنظمة الليزر الخاصة به، ويصف التطبيقات والتأثيرات المحتملة المتعلقة بتفاعلات مجال الضوء فائقة القوة.
تم اقتراح برنامج XCELS في عام 2011 بهدف أولي وهو تحقيق ذروة الطاقةالليزرخرج نبضي يبلغ 200 PW، والذي يتم ترقيته حاليًا إلى 600 PW. إنهنظام الليزريعتمد على ثلاث تقنيات رئيسية:
(1) يتم استخدام تقنية تضخيم النبض الزقزقي البصري (OPCPA) بدلاً من تضخيم النبض الزقزقي التقليدي (تضخيم النبض الزقزقي، OPCPA). CPA) التكنولوجيا؛
(2) باستخدام DKDP كوسيلة للكسب، يتم تحقيق مطابقة طور النطاق العريض للغاية بالقرب من الطول الموجي 910 نانومتر؛
(3) يتم استخدام ليزر زجاج النيوديميوم ذو فتحة كبيرة مع طاقة نبضية تبلغ آلاف الجول لضخ مضخم حدودي.
توجد مطابقة الطور ذات النطاق العريض للغاية على نطاق واسع في العديد من البلورات وتستخدم في ليزر الفيمتو ثانية OPCPA. يتم استخدام بلورات DKDP لأنها المادة الوحيدة الموجودة عمليًا والتي يمكن زراعتها بفتحة تصل إلى عشرات السنتيمترات وفي نفس الوقت تتمتع بصفات بصرية مقبولة لدعم تضخيم طاقة PW المتعددةالليزر. لقد وجد أنه عندما يتم ضخ بلورة DKDP بواسطة ضوء التردد المزدوج للليزر الزجاجي ND، إذا كان الطول الموجي للنبض المضخم هو 910 نانومتر، فإن الحدود الثلاثة الأولى لتمدد تايلور لعدم تطابق ناقل الموجة هي 0.
الشكل 1 عبارة عن تخطيط تخطيطي لنظام الليزر XCELS. أنتجت الواجهة الأمامية نبضات فيمتوثانية زقزقة بطول موجي مركزي يبلغ 910 نانومتر (1.3 في الشكل 1) و1054 نانومتر نبضات نانو ثانية يتم حقنها في الليزر الذي يتم ضخه OPCPA (1.1 و 1.2 في الشكل 1). تضمن الواجهة الأمامية أيضًا تزامن هذه النبضات بالإضافة إلى الطاقة المطلوبة والمعلمات الزمانية المكانية. يعمل OPCPA المتوسط الذي يعمل بمعدل تكرار أعلى (1 هرتز) على تضخيم النبض المغرد إلى عشرات الجول (2 في الشكل 1). يتم تضخيم النبض بشكل أكبر بواسطة Booster OPCPA إلى حزمة كيلوجول واحدة ويتم تقسيمها إلى 12 حزمة فرعية متطابقة (4 في الشكل 1). في الـ 12 OPCPA النهائية، يتم تضخيم كل من نبضات الضوء الـ 12 إلى مستوى الكيلوجول (5 في الشكل 1) ثم يتم ضغطها بواسطة 12 شبكة ضغط (GC من 6 في الشكل 1). يتم استخدام مرشح التشتت الصوتي البصري القابل للبرمجة في الواجهة الأمامية للتحكم بدقة في تشتت سرعة المجموعة والتشتت عالي الترتيب، وذلك للحصول على أصغر عرض نبض ممكن. طيف النبض له شكل ما يقرب من 12th-supergauss، وعرض النطاق الترددي الطيفي عند 1٪ من القيمة القصوى هو 150 نانومتر، وهو ما يتوافق مع عرض نبض حد تحويل فورييه البالغ 17 fs. وبالنظر إلى تعويض التشتت غير الكامل وصعوبة تعويض الطور غير الخطي في المضخمات البارامترية، فإن عرض النبضة المتوقع هو 20 fs.
سيستخدم ليزر XCELS وحدتين لمضاعفة تردد ليزر زجاج النيوديميوم UFL-2M ذات 8 قنوات (3 في الشكل 1)، منها 13 قناة سيتم استخدامها لضخ Booster OPCPA و12 OPCPA النهائية. سيتم استخدام القنوات الثلاث المتبقية كنبض مستقل بالكيلوجول بالنانو ثانيةمصادر الليزرلتجارب أخرى. محدودة بعتبة الانهيار البصري لبلورات DKDP، ويتم ضبط شدة تشعيع النبض المضخ على 1.5 جيجاوات/سم2 لكل قناة والمدة 3.5 نانو ثانية.
تنتج كل قناة من قنوات ليزر XCELS نبضات بقوة 50 PW. إجمالي 12 قناة توفر طاقة خرج إجمالية تبلغ 600 PW. في حجرة الهدف الرئيسية، تبلغ شدة التركيز القصوى لكل قناة في ظل الظروف المثالية 0.44×1025 واط/سم2، بافتراض استخدام عناصر التركيز البؤري F/1 للتركيز. إذا تم ضغط نبض كل قناة إلى 2.6 fs بواسطة تقنية ما بعد الضغط، فإن طاقة نبض الخرج المقابلة ستزداد إلى 230 PW، بما يتوافق مع شدة الضوء البالغة 2.0×1025 واط/سم2.
لتحقيق كثافة ضوء أكبر، عند خرج 600 PW، سيتم تركيز نبضات الضوء في القنوات الـ 12 في هندسة الإشعاع ثنائي القطب العكسي، كما هو موضح في الشكل 2. عندما لا يتم قفل طور النبض في كل قناة، يمكن أن تكون شدة التركيز يصل إلى 9×1025 واط/سم2. إذا تم قفل كل مرحلة نبضة ومزامنتها، فسيتم زيادة شدة الضوء الناتجة المتماسكة إلى 3.2×1026 واط/سم2. بالإضافة إلى الغرفة المستهدفة الرئيسية، يتضمن مشروع XCELS ما يصل إلى 10 مختبرات للمستخدمين، يتلقى كل منها حزمة واحدة أو أكثر للتجارب. 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 المخبرية وعمليات كثافة الطاقة العالية والأبحاث التشخيصية.
تين. 2 هندسة التركيز في غرفة الهدف الرئيسية. من أجل الوضوح، تم ضبط المرآة المكافئة للشعاع 6 على الشفافية، وتظهر أشعة الإدخال والإخراج قناتين فقط 1 و 7
يوضح الشكل 3 التخطيط المكاني لكل منطقة وظيفية لنظام الليزر XCELS في المبنى التجريبي. توجد الكهرباء ومضخات التفريغ ومعالجة المياه والتنقية وتكييف الهواء في الطابق السفلي. تبلغ مساحة البناء الإجمالية أكثر من 24000 متر مربع. ويبلغ إجمالي استهلاك الطاقة حوالي 7.5 ميجاوات. يتكون المبنى التجريبي من إطار داخلي مجوف وقسم خارجي، كل منهما مبني على أساسين منفصلين. يتم تركيب الفراغ والأنظمة الأخرى المسببة للاهتزاز على الأساس المعزول للاهتزاز، بحيث يتم تقليل سعة الاضطراب المنقولة إلى نظام الليزر من خلال الأساس والدعم إلى أقل من 10-10 جم 2 / هرتز في نطاق التردد 1-200 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، تم إنشاء شبكة من العلامات المرجعية الجيوديسية في قاعة الليزر لمراقبة انجراف الأرض والمعدات بشكل منهجي.
يهدف مشروع XCELS إلى إنشاء منشأة بحث علمي كبيرة تعتمد على أشعة ليزر ذات طاقة عالية للغاية. قد توفر قناة واحدة من نظام الليزر XCELS كثافة ضوء مركزة أعلى عدة مرات من 1024 وات/سم2، والتي يمكن تجاوزها بمقدار 1025 وات/سم2 باستخدام تقنية ما بعد الضغط. ومن خلال نبضات التركيز ثنائي القطب من 12 قناة في نظام الليزر، يمكن تحقيق كثافة تقترب من 1026 وات/سم2 حتى بدون الضغط اللاحق وقفل الطور. إذا تم قفل تزامن الطور بين القنوات، فستكون شدة الضوء أعلى عدة مرات. وباستخدام شدة النبضات القياسية هذه وتصميم الشعاع متعدد القنوات، ستكون منشأة XCELS المستقبلية قادرة على إجراء تجارب ذات كثافة عالية للغاية وتوزيعات معقدة لحقل الضوء، وتشخيص التفاعلات باستخدام أشعة الليزر متعددة القنوات والإشعاع الثانوي. سيلعب هذا دورًا فريدًا في مجال الفيزياء التجريبية للمجال الكهرومغناطيسي فائق القوة.
وقت النشر: 26 مارس 2024