Жакында эле Россия Илимдер академиясынын Колдонмо физика институту өтө чоң илимий түзүлүштөргө негизделген eXawatt Extreme Light изилдөө борборун (XCELS) ишке киргизди.жогорку кубаттуулуктагы лазерлерДолбоор абдан көп курулушту камтыйт.жогорку кубаттуулуктагы лазерчоң диафрагмадагы калий дидейтерий фосфатынын (DKDP, KD2PO4 химиялык формуласы) кристаллдарындагы оптикалык параметрдик чырылдаган импульсту күчөтүү технологиясына негизделген, жалпысынан 600 PW эң жогорку кубаттуулуктагы импульс чыгышы күтүлүүдө. Бул эмгек XCELS долбоору жана анын лазердик системалары жөнүндө маанилүү маалыматтарды жана изилдөө жыйынтыктарын берет, анда өтө күчтүү жарык талаасынын өз ара аракеттенүүсүнө байланыштуу колдонмолорду жана потенциалдуу таасирлерди сүрөттөйт.
XCELS программасы 2011-жылы сунушталган жана баштапкы максаты - эң жогорку кубаттуулукка жетүү болгон.лазерИмпульстук кубаттуулугу 200 ПВт, ал учурда 600 ПВт чейин жогорулатылган. Анынлазердик системаүч негизги технологияга таянат:
(1) Кадимки Чирпеддик Импульстук Күчөтүү (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) технологиясынын ордуна оптикалык параметрдик Чирпеддик Импульстук Күчөтүү (OPCPA) технологиясы колдонулат;
(2) DKDP күчөтүү чөйрөсү катары колдонулуп, 910 нм толкун узундугуна жакын өтө кең тилкелүү фазаны дал келтирүү ишке ашырылат;
(3) Параметрдик күчөткүчтү сордуруу үчүн миңдеген джоул импульстук энергиясы бар чоң диафрагмалуу неодим айнек лазери колдонулат.
Ультра кең тилкелүү фаза дал келүүсү көптөгөн кристаллдарда кеңири кездешет жана OPCPA фемтосекунддук лазерлеринде колдонулат. DKDP кристаллдары колдонулат, анткени алар практикада ондогон сантиметр диафрагмага чейин өстүрүлүүчү жана ошол эле учурда көп PW кубаттуулугун күчөтүүнү колдоо үчүн алгылыктуу оптикалык сапаттарга ээ болгон жалгыз материал.лазерлерDKDP кристаллы ND айнек лазеринин кош жыштыктагы жарыгы менен сордурулганда, күчөтүлгөн импульстун алып жүрүүчү толкун узундугу 910 нм болсо, толкун векторунун дал келбестигинин Тейлор кеңейишинин алгачкы үч мүчөсү 0гө барабар экени аныкталган.
1-сүрөт XCELS лазер системасынын схемалык жайгашуусу болуп саналат. Алдыңкы учу борбордук толкун узундугу 910 нм (1-сүрөттө 1,3) жана OPCPA сордурулган лазерине сайылган 1054 нм наносекунддук импульстарды (1-сүрөттө 1,1 жана 1,2) түзгөн. Алдыңкы учу бул импульстардын синхрондоштурулушун, ошондой эле талап кылынган энергия жана мейкиндик-убакыт параметрлерин камсыз кылат. Жогорку кайталоо ылдамдыгында (1 Гц) иштеген аралык OPCPA чирилген импульсту ондогон джоулга чейин күчөтөт (1-сүрөттө 2). Импульс Booster OPCPA тарабынан бир килоджоуль нуруна андан ары күчөтүлөт жана 12 бирдей суб-нурларга бөлүнөт (1-сүрөттө 4). Акыркы 12 OPCPAда 12 чирилген жарык импульсунун ар бири килоджоуль деңгээлине чейин күчөтүлөт (1-сүрөттө 5), андан кийин 12 кысуу торчосу менен кысылат (1-сүрөттө 6нын GC). Акустикалык-оптикалык программалануучу дисперсия чыпкасы топтук ылдамдыктын дисперсиясын жана жогорку тартиптеги дисперсияны так башкаруу үчүн алдыңкы учта колдонулат, ошентип импульстун эң кичинекей туурасын алуу мүмкүн. Импульс спектри дээрлик 12-тартиптеги супергаусс формасына ээ, ал эми максималдуу маанинин 1%ындагы спектрдик өткөрүү жөндөмдүүлүгү 150 нмди түзөт, бул Фурье трансформациясынын чегинин импульс туурасы 17 фс туура келет. Толук эмес дисперсиялык компенсацияны жана параметрдик күчөткүчтөрдөгү сызыктуу эмес фазалык компенсациянын кыйынчылыгын эске алганда, күтүлгөн импульс туурасы 20 фс.
XCELS лазери эки 8 каналдуу UFL-2M неодим айнек лазеринин жыштык эки эселенген модулдарын (1-сүрөттө 3) колдонот, алардын ичинен 13 канал Booster OPCPAны сордуруу үчүн жана 12 акыркы OPCPAны сордуруу үчүн колдонулат. Калган үч канал көз карандысыз наносекунддук импульстук килоджоуль катары колдонулат.лазер булактарыбашка эксперименттер үчүн. DKDP кристаллдарынын оптикалык бузулуу босогосу менен чектелген, сордурулган импульстун нурлануу интенсивдүүлүгү ар бир канал үчүн 1,5 ГВт/см2 деп коюлган жана узактыгы 3,5 нс.
XCELS лазеринин ар бир каналы 50 ПВт кубаттуулуктагы импульстарды чыгарат. Жалпысынан 12 канал 600 ПВт жалпы чыгуу кубаттуулугун камсыз кылат. Негизги максаттуу камерада, идеалдуу шарттарда ар бир каналдын максималдуу фокустоо интенсивдүүлүгү 0,44 × 1025 Вт/см2 түзөт, эгерде фокустоо үчүн F/1 фокустоочу элементтер колдонулат деп эсептесек. Эгерде ар бир каналдын импульсу посткомпрессиялык ыкма менен 2,6 фс чейин андан ары кысылса, анда тиешелүү чыгуу импульсунун кубаттуулугу 230 ПВт чейин көбөйөт, бул 2,0 × 1025 Вт/см2 жарык интенсивдүүлүгүнө туура келет.
Жарыктын интенсивдүүлүгүн жогорулатуу үчүн, 600 ПВт кубаттуулукта, 12 каналдагы жарык импульстары 2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, тескери диполь нурлануусунун геометриясында фокусталат. Ар бир каналдагы импульстук фаза кулпуланбаганда, фокустун интенсивдүүлүгү 9 × 1025 Вт/см2ге жетиши мүмкүн. Эгерде ар бир импульстук фаза кулпуланып, синхрондоштурулса, когеренттүү натыйжадагы жарыктын интенсивдүүлүгү 3,2 × 1026 Вт/см2ге чейин жогорулайт. Негизги максаттуу бөлмөдөн тышкары, XCELS долбооруна 10го чейин колдонуучу лабораториялары кирет, алардын ар бири эксперименттер үчүн бир же бир нече нурларды кабыл алат. Бул өтө күчтүү жарык талаасын колдонуп, XCELS долбоору төрт категорияда эксперименттерди жүргүзүүнү пландаштырууда: интенсивдүү лазердик талаалардагы кванттык электродинамикалык процесстер; Бөлүкчөлөрдүн өндүрүлүшү жана ылдамданышы; Экинчилик электромагниттик нурлануунун генерациясы; Лабораториялык астрофизика, жогорку энергия тыгыздыгы процесстери жана диагностикалык изилдөөлөр.
СҮРӨТ 2. Негизги максаттуу камерадагы фокустоо геометриясы. Тактык үчүн, 6-нурдун параболикалык күзгүсү тунук абалга коюлган, ал эми киргизүү жана чыгаруу нурлары эки гана каналды көрсөтөт: 1 жана 7.
3-сүрөттө эксперименталдык имараттагы XCELS лазердик системасынын ар бир функционалдык аймагынын мейкиндик жайгашуусу көрсөтүлгөн. Электр энергиясы, вакуумдук насостор, сууну тазалоо, тазалоо жана абаны кондиционерлөө системалары жер төлөдө жайгашкан. Курулуштун жалпы аянты 24 000 м2ден ашык. Жалпы энергия керектөө болжол менен 7,5 МВт. Эксперименталдык имарат ички көңдөй жалпы каркастан жана ар бири эки ажыратылган пайдубалга курулган тышкы бөлүктөн турат. Вакуумдук жана башка титирөөнү пайда кылуучу системалар титирөөдөн изоляцияланган пайдубалга орнотулган, ошондуктан пайдубал жана таяныч аркылуу лазердик системага берилген бузулуунун амплитудасы 1-200 Гц жыштык диапазонунда 10-10 г2/Гцден азыраакка чейин төмөндөйт. Мындан тышкары, жердин жана жабдуулардын жылышын системалуу түрдө көзөмөлдөө үчүн лазердик залда геодезиялык эталондук маркерлердин тармагы орнотулган.
XCELS долбоору өтө жогорку кубаттуулуктагы лазерлерге негизделген ири илимий изилдөө мекемесин түзүүгө багытталган. XCELS лазер системасынын бир каналы 1024 Вт/см2ден бир нече эсе жогору фокусталган жарык интенсивдүүлүгүн камсыздай алат, ал эми андан кийинки кысуу технологиясы менен 1025 Вт/см2ге ашып кетиши мүмкүн. Лазер системасындагы 12 каналдан келген диполь-фокустоо импульстары аркылуу 1026 Вт/см2ге жакын интенсивдүүлүккө кийинки кысуу жана фазаны бекитүүсүз да жетишүүгө болот. Эгерде каналдардын ортосундагы фазалык синхрондоштуруу бекитилсе, жарыктын интенсивдүүлүгү бир нече эсе жогору болот. Бул рекорддук импульс интенсивдүүлүгүн жана көп каналдуу нурдун жайгашуусун колдонуу менен, келечектеги XCELS мекемеси өтө жогорку интенсивдүүлүк, татаал жарык талаасынын бөлүштүрүлүшү менен эксперименттерди жүргүзө алат жана көп каналдуу лазер нурларын жана экинчилик нурланууну колдонуу менен өз ара аракеттенүүлөрдү аныктай алат. Бул өтө күчтүү электромагниттик талаанын эксперименталдык физикасы тармагында уникалдуу ролду ойнойт.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 26-марты