Վերջերս Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի կիրառական ֆիզիկայի ինստիտուտը ներկայացրեց eXawatt ծայրահեղ լույսի ուսումնասիրության կենտրոնը (XCELS), որը խոշոր գիտական սարքերի հետազոտական ծրագիր է, որը հիմնված է ծայրահեղ լույսի վրա։բարձր հզորության լազերներՆախագիծը ներառում է շատբարձր հզորության լազերհիմնված է մեծ ապերտուրայի կալիումի դիդեյտերիումի ֆոսֆատի (DKDP, քիմիական բանաձև KD2PO4) բյուրեղներում օպտիկական պարամետրիկ ճռռացող իմպուլսային ուժեղացման տեխնոլոգիայի վրա՝ 600 ՖՎտ գագաթնակետային հզորության իմպուլսների սպասվող ընդհանուր ելքով: Այս աշխատանքը կարևոր մանրամասներ և հետազոտական արդյունքներ է տրամադրում XCELS նախագծի և դրա լազերային համակարգերի վերաբերյալ, նկարագրելով գերուժեղ լույսի դաշտի փոխազդեցությունների հետ կապված կիրառությունները և հնարավոր ազդեցությունները:
XCELS ծրագիրը առաջարկվել է 2011 թվականին՝ սկզբնական նպատակով հասնել գագաթնակետային հզորությանլազեր200 ՊՎտ իմպուլսային ելք, որը ներկայումս արդիականացված է մինչև 600 ՊՎտ։ Դրալազերային համակարգհիմնված է երեք հիմնական տեխնոլոգիաների վրա՝
(1) Ավանդական ճռռացող իմպուլսային ուժեղացման (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) փոխարեն օգտագործվում է օպտիկական պարամետրիկ ճռռացող իմպուլսային ուժեղացման (OPCPA) տեխնոլոգիան։ CPA) տեխնոլոգիա։
(2) DKDP-ն որպես ուժեղացման միջավայր օգտագործելով՝ գերլայնաշերտ ֆազային համապատասխանեցումն իրականացվում է մոտ 910 նմ ալիքի երկարության վրա։
(3) Պարամետրիկ ուժեղացուցիչը մղելու համար օգտագործվում է մեծ ապերտուրայի նեոդիմիական ապակե լազեր՝ հազարավոր ջոուլների իմպուլսային էներգիայով։
Գերլայնաշերտ փուլային համապատասխանեցումը լայնորեն հանդիպում է բազմաթիվ բյուրեղներում և օգտագործվում է OPCPA ֆեմտովայրկյանային լազերներում: DKDP բյուրեղները օգտագործվում են, քանի որ դրանք գործնականում հանդիպող միակ նյութն են, որը կարող է աճել մինչև տասնյակ սանտիմետր ապերտուրա և միևնույն ժամանակ ունի ընդունելի օպտիկական հատկություններ՝ բազմաֆունկցիոնալ հզորության ուժեղացմանը նպաստելու համար:լազերներՊարզվել է, որ երբ DKDP բյուրեղը մղվում է ND ապակե լազերի կրկնակի հաճախականության լույսով, եթե ուժեղացված իմպուլսի կրող ալիքի երկարությունը 910 նմ է, ալիքային վեկտորի անհամապատասխանության Թեյլորի ընդլայնման առաջին երեք անդամները 0 են։
Նկար 1-ը XCELS լազերային համակարգի սխեմատիկ դասավորությունն է: Առջևի մասը գեներացրել է ճռռացող ֆեմտովայրկյանային իմպուլսներ՝ 910 նմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ (1.3 նկար 1-ում) և 1054 նմ նանովայրկյանային իմպուլսներ, որոնք ներարկվել են OPCPA պոմպային լազերի մեջ (1.1 և 1.2 նկար 1-ում): Առջևի մասը նաև ապահովում է այս իմպուլսների համաժամեցումը, ինչպես նաև անհրաժեշտ էներգիայի և տարածաժամանակային պարամետրերը: Ավելի բարձր կրկնության հաճախականությամբ (1 Հց) գործող միջանկյալ OPCPA-ն ուժեղացնում է ճռռացող իմպուլսը մինչև տասնյակ ջոուլներ (2 նկար 1-ում): Իմպուլսը հետագայում ուժեղացվում է Booster OPCPA-ի կողմից՝ վերածվելով մեկ կիլոջոուլային փնջի և բաժանվում 12 նույնական ենթափնջերի (4 նկար 1-ում): Վերջնական 12 OPCPA-ում 12 ճռռացող լույսի իմպուլսներից յուրաքանչյուրը ուժեղացվում է մինչև կիլոջոուլային մակարդակ (5 նկար 1-ում) և այնուհետև սեղմվում 12 սեղմման ցանցերով (GC՝ 6 նկար 1-ում): Ակուստո-օպտիկական ծրագրավորվող դիսպերսիոն ֆիլտրը օգտագործվում է առջևի մասում՝ խմբային արագության դիսպերսիան և բարձր կարգի դիսպերսիան ճշգրիտ կառավարելու համար, որպեսզի ստացվի հնարավոր ամենափոքր իմպուլսի լայնությունը: Իմպուլսի սպեկտրն ունի գրեթե 12-րդ կարգի սուպերգաուսի ձև, իսկ առավելագույն արժեքի 1%-ի դեպքում սպեկտրային թողունակությունը 150 նմ է, որը համապատասխանում է Ֆուրիեի ձևափոխության սահմանային իմպուլսի լայնության 17 fs-ին: Հաշվի առնելով պարամետրիկ ուժեղացուցիչներում դիսպերսիայի թերի փոխհատուցումը և ոչ գծային փուլային փոխհատուցման դժվարությունը, սպասվող իմպուլսի լայնությունը 20 fs-ն է:
XCELS լազերը կօգտագործի երկու 8-ալիքային UFL-2M նեոդիմիումային ապակե լազերային հաճախականության կրկնապատկման մոդուլներ (3-ը նկար 1-ում), որոնցից 13-ը կօգտագործվեն Booster OPCPA-ն մղելու համար, իսկ 12-ը՝ վերջնական OPCPA-ն։ Մնացած երեք ալիքները կօգտագործվեն որպես անկախ նանովայրկյանային կիլոջուլային իմպուլսներ։լազերային աղբյուրներայլ փորձերի համար: DKDP բյուրեղների օպտիկական քայքայման շեմով սահմանափակված՝ պոմպային իմպուլսի ճառագայթման ինտենսիվությունը սահմանվում է 1.5 ԳՎտ/սմ2 յուրաքանչյուր ալիքի համար, իսկ տևողությունը՝ 3.5 նվ:
XCELS լազերի յուրաքանչյուր ալիք արտադրում է 50 PW հզորությամբ իմպուլսներ: Ընդհանուր 12 ալիքները ապահովում են 600 PW ընդհանուր ելքային հզորություն: Հիմնական թիրախային խցիկում յուրաքանչյուր ալիքի առավելագույն ֆոկուսային ինտենսիվությունը իդեալական պայմաններում կազմում է 0.44×1025 Վտ/սմ2, ենթադրելով, որ ֆոկուսի համար օգտագործվում են F/1 ֆոկուսային տարրեր: Եթե յուրաքանչյուր ալիքի իմպուլսը հետագայում սեղմվի մինչև 2.6 ֆվրկ հետսեղմման տեխնիկայով, համապատասխան ելքային իմպուլսի հզորությունը կաճի մինչև 230 PW, ինչը համապատասխանում է 2.0×1025 Վտ/սմ2 լույսի ինտենսիվությանը:
Ավելի մեծ լույսի ինտենսիվության հասնելու համար, 600 ՖՎ ելքային հզորությամբ, 12 ալիքներում լույսի իմպուլսները կկենտրոնանան հակադարձ դիպոլային ճառագայթման երկրաչափության վրա, ինչպես ցույց է տրված նկար 2-ում: Երբ յուրաքանչյուր ալիքում իմպուլսի փուլը ֆիքսված չէ, ֆոկուսի ինտենսիվությունը կարող է հասնել 9×1025 Վտ/սմ2-ի: Եթե յուրաքանչյուր իմպուլսի փուլ ֆիքսված և համաժամեցված է, արդյունքում ստացված կոհերենտ լույսի ինտենսիվությունը կաճի մինչև 3.2×1026 Վտ/սմ2: Հիմնական թիրախային սենյակից բացի, XCELS նախագիծը ներառում է մինչև 10 օգտագործող լաբորատորիա, որոնցից յուրաքանչյուրը ստանում է մեկ կամ մի քանի ճառագայթներ փորձերի համար: Այս չափազանց ուժեղ լույսի դաշտն օգտագործելով՝ XCELS նախագիծը նախատեսում է փորձեր անցկացնել չորս կատեգորիաներով՝ քվանտային էլեկտրադինամիկայի գործընթացներ ինտենսիվ լազերային դաշտերում, մասնիկների առաջացում և արագացում, երկրորդային էլեկտրամագնիսական ճառագայթման առաջացում, լաբորատոր աստղաֆիզիկա, բարձր էներգիայի խտության գործընթացներ և ախտորոշիչ հետազոտություններ:
ՆԿ. 2. Ֆոկուսի երկրաչափությունը գլխավոր թիրախային խցիկում: Պարզության համար, ճառագայթ 6-ի պարաբոլիկ հայելին սահմանված է թափանցիկության, իսկ մուտքային և ելքային ճառագայթները ցույց են տալիս միայն երկու ալիք՝ 1 և 7:
Նկար 3-ը ցույց է տալիս XCELS լազերային համակարգի յուրաքանչյուր ֆունկցիոնալ տարածքի տարածական դասավորությունը փորձարարական շենքում: Էլեկտրաէներգիան, վակուումային պոմպերը, ջրի մաքրման, մաքրման և օդորակման համակարգերը տեղակայված են նկուղում: Շինարարության ընդհանուր մակերեսը կազմում է ավելի քան 24,000 մ2: Ընդհանուր էներգիայի սպառումը կազմում է մոտ 7.5 ՄՎտ: Փորձարարական շենքը բաղկացած է ներքին խոռոչ ընդհանուր շրջանակից և արտաքին հատվածից, որոնցից յուրաքանչյուրը կառուցված է երկու անջատված հիմքերի վրա: Վակուումային և այլ թրթռում առաջացնող համակարգերը տեղադրված են թրթռումներից մեկուսացված հիմքի վրա, որպեսզի հիմքի և հենարանի միջոցով լազերային համակարգին փոխանցվող խանգարման ամպլիտուդը նվազեցվի մինչև 10-10 գ2/Հց-ից պակաս՝ 1-200 Հց հաճախականության տիրույթում: Բացի այդ, լազերային դահլիճում տեղադրված է գեոդեզիական հղման նշիչների ցանց՝ գետնի և սարքավորումների տեղաշարժը համակարգված կերպով վերահսկելու համար:
XCELS նախագիծը նպատակ ունի ստեղծել չափազանց բարձր գագաթնակետային հզորության լազերների վրա հիմնված խոշոր գիտահետազոտական կենտրոն: XCELS լազերային համակարգի մեկ ալիքը կարող է ապահովել 1024 Վտ/սմ2-ից մի քանի անգամ ավելի կենտրոնացված լույսի ինտենսիվություն, որը հետսեղմման տեխնոլոգիայի միջոցով կարող է գերազանցվել 1025 Վտ/սմ2-ով: Լազերային համակարգի 12 ալիքներից դիպոլային ֆոկուսային իմպուլսների միջոցով կարելի է հասնել 1026 Վտ/սմ2-ին մոտ ինտենսիվության նույնիսկ առանց հետսեղմման և փուլային ֆիքսման: Եթե ալիքների միջև փուլային համաժամեցումը ֆիքսված է, լույսի ինտենսիվությունը մի քանի անգամ ավելի բարձր կլինի: Այս ռեկորդային իմպուլսային ինտենսիվությունները և բազմալիքային ճառագայթային դասավորությունը օգտագործելով՝ ապագա XCELS կենտրոնը կկարողանա կատարել փորձեր չափազանց բարձր ինտենսիվությամբ, բարդ լույսի դաշտի բաշխումներով և ախտորոշել փոխազդեցությունները՝ օգտագործելով բազմալիքային լազերային ճառագայթներ և երկրորդային ճառագայթում: Սա եզակի դեր կխաղա գերուժեղ էլեկտրամագնիսական դաշտի փորձարարական ֆիզիկայի ոլորտում:
Հրապարակման ժամանակը. Մարտի 26-2024