Վերջերս Ռուսաստանի Գիտությունների ակադեմիայի Կիրառական ֆիզիկայի ինստիտուտը ներկայացրեց ծայրահեղ լույսի ուսումնասիրության eXawatt կենտրոնը (XCELS), որը հետազոտական ծրագիր է խոշոր գիտական սարքերի համար, որը հիմնված է ծայրահեղության վրա:բարձր հզորության լազերներ. Ծրագիրը ներառում է շինարարություն շատբարձր հզորության լազերհիմնված է օպտիկական պարամետրային ծլվլվող զարկերակային ուժեղացման տեխնոլոգիայի վրա մեծ բացվածքով կալիումի դիդեուտերիում ֆոսֆատ (DKDP, քիմիական բանաձև KD2PO4) բյուրեղներում՝ 600 PW առավելագույն հզորության իմպուլսների ակնկալվող ընդհանուր թողունակությամբ: Այս աշխատանքը տալիս է կարևոր մանրամասներ և հետազոտական արդյունքներ XCELS նախագծի և նրա լազերային համակարգերի վերաբերյալ՝ նկարագրելով կիրառությունները և հնարավոր ազդեցությունները՝ կապված գերուժեղ լուսային դաշտի փոխազդեցությունների հետ:
XCELS ծրագիրը առաջարկվել է 2011 թվականին՝ գագաթնակետին հասնելու սկզբնական նպատակովլազերային200 PW իմպուլսային հզորություն, որը ներկայումս արդիականացվել է մինչև 600 PW: Դրանլազերային համակարգհիմնված է երեք հիմնական տեխնոլոգիաների վրա.
(1) Օպտիկական պարամետրիկ զարկերակային ուժեղացում (OPCPA) տեխնոլոգիան օգտագործվում է ավանդական ծլվլվող զարկերակային ուժեղացման (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) փոխարեն: CPA) տեխնոլոգիա;
(2) Օգտագործելով DKDP որպես շահույթի միջավայր, ծայրահեղ լայնաշերտ փուլի համընկնումն իրականացվում է 910 նմ ալիքի երկարության մոտ;
(3) Պարամետրային ուժեղացուցիչ մղելու համար օգտագործվում է մեծ բացվածքով նեոդիմումային ապակու լազեր՝ հազարավոր ջոուլի իմպուլսի էներգիայով:
Գերլայնաշերտ փուլային համընկնումը լայնորեն հայտնաբերված է շատ բյուրեղներում և օգտագործվում է OPCPA ֆեմտովայրկյան լազերներում: DKDP բյուրեղները օգտագործվում են, քանի որ դրանք պրակտիկայում հայտնաբերված միակ նյութն են, որը կարող է աճել մինչև տասնյակ սանտիմետր բացվածք և միևնույն ժամանակ ունեն ընդունելի օպտիկական հատկություններ՝ աջակցելու բազմաֆունկցիոնալ հզորության ուժեղացմանը:լազերներ. Պարզվել է, որ երբ DKDP բյուրեղը մղվում է ND ապակե լազերի կրկնակի հաճախականության լույսով, եթե ուժեղացված իմպուլսի կրիչի ալիքի երկարությունը 910 նմ է, ալիքի վեկտորի անհամապատասխանության Թեյլորի ընդլայնման առաջին երեք անդամները 0 են:
Նկար 1-ը XCELS լազերային համակարգի սխեմատիկ դասավորությունն է: Առջևի ծայրը գեներացնում էր 910 նմ ալիքի կենտրոնական երկարությամբ (1.3 նկար 1-ում) և 1054 նմ նանվայրկյանական իմպուլսներ, որոնք ներարկվում էին OPCPA պոմպային լազերի մեջ (1.1 և 1.2՝ Նկար 1-ում): Առջևի ծայրը նաև ապահովում է այս իմպուլսների համաժամացումը, ինչպես նաև անհրաժեշտ էներգիան և տարածական ժամանակային պարամետրերը: Միջանկյալ OPCPA-ն, որն աշխատում է ավելի բարձր կրկնության արագությամբ (1 Հց) ուժեղացնում է ծլվլվող զարկերակը մինչև տասնյակ ջոուլ (Նկար 1-ում 2-ը): Զարկերակը հետագայում ուժեղացվում է Booster OPCPA-ով մեկ կիլոգրամի ճառագայթով և բաժանվում է 12 նույնական ենթափառերի (4-ը նկար 1-ում): Վերջնական 12 OPCPA-ում 12 ծլվլվող լույսի իմպուլսներից յուրաքանչյուրն ուժեղացվում է մինչև կիլոջոուլի մակարդակը (5-ը նկար 1-ում) և այնուհետև սեղմվում է 12 սեղմման ցանցերով (ԳԿ 6-ը Նկար 1-ում): Ակուստո-օպտիկական ծրագրավորվող ցրման ֆիլտրը օգտագործվում է առջևի մասում՝ խմբային արագության ցրումը և բարձր կարգի դիսպերսիան ճշգրիտ վերահսկելու համար, որպեսզի հնարավորինս փոքր զարկերակային լայնություն ստանա: Զարկերակային սպեկտրը ունի գրեթե 12-րդ կարգի սուպերգաուսի ձև, իսկ սպեկտրային թողունակությունը առավելագույն արժեքի 1%-ում 150 նմ է, որը համապատասխանում է Ֆուրիեի փոխակերպման սահմանային իմպուլսի լայնությանը 17 fs: Հաշվի առնելով թերի ցրման փոխհատուցումը և պարամետրային ուժեղացուցիչներում ոչ գծային ֆազային փոխհատուցման դժվարությունը, իմպուլսի ակնկալվող լայնությունը 20 fs է:
XCELS լազերը կօգտագործի երկու 8-ալիք UFL-2M նեոդիմումային ապակի լազերային հաճախականության կրկնապատկման մոդուլ (3-ը՝ Նկար 1-ում), որոնցից 13 ալիքները կօգտագործվեն Booster OPCPA-ն մղելու համար, իսկ 12-ը՝ վերջնական OPCPA: Մնացած երեք ալիքները կօգտագործվեն որպես անկախ նանվայրկյան կիլոգոուլային իմպուլսայինլազերային աղբյուրներայլ փորձերի համար: Սահմանափակված DKDP բյուրեղների օպտիկական քայքայման շեմով, պոմպային իմպուլսի ճառագայթման ինտենսիվությունը սահմանվում է 1,5 ԳՎտ/սմ2 յուրաքանչյուր ալիքի համար, իսկ տևողությունը՝ 3,5 ns:
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 կենտրոնացման ինտենսիվությունը իդեալական պայմաններում 0,44×1025 Վտ/սմ2 է, ենթադրելով, որ կենտրոնացման համար օգտագործվում են F/1 կենտրոնացման տարրեր: Եթե հետկոմպրեսիոն տեխնիկայի միջոցով յուրաքանչյուր ալիքի իմպուլսը հետագայում սեղմվի մինչև 2,6 fs, ապա համապատասխան ելքային իմպուլսի հզորությունը կավելացվի մինչև 230 PW, որը համապատասխանում է 2,0×1025 Վտ/սմ2 լույսի ինտենսիվությանը:
Լույսի ավելի մեծ ինտենսիվության հասնելու համար, 600 PW ելքով, լույսի իմպուլսները 12 ալիքներում կկենտրոնացվեն հակադարձ դիպոլային ճառագայթման երկրաչափության վրա, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում: Երբ յուրաքանչյուր ալիքում զարկերակային փուլը արգելափակված չէ, ֆոկուսի ինտենսիվությունը կարող է հասնել 9×1025 Վտ/սմ2: Եթե յուրաքանչյուր իմպուլսային փուլ կողպված է և համաժամանակացված, հետևողական լույսի ինտենսիվությունը կավելանա մինչև 3,2×1026 Վտ/սմ2: Բացի հիմնական թիրախային սենյակից, XCELS նախագիծը ներառում է օգտագործողների մինչև 10 լաբորատորիաներ, որոնցից յուրաքանչյուրը ստանում է մեկ կամ ավելի ճառագայթներ փորձերի համար: Օգտագործելով այս չափազանց ուժեղ լուսային դաշտը, XCELS նախագիծը նախատեսում է փորձեր իրականացնել չորս կատեգորիաներով. քվանտային էլեկտրադինամիկայի գործընթացներ ինտենսիվ լազերային դաշտերում; Մասնիկների արտադրություն և արագացում; Երկրորդային էլեկտրամագնիսական ճառագայթման առաջացում; Լաբորատոր աստղաֆիզիկա, բարձր էներգիայի խտության գործընթացներ և ախտորոշիչ հետազոտություններ։
ՆԿԱՐ. 2 Երկրաչափության կենտրոնացում հիմնական թիրախային խցիկում: Պարզության համար 6-րդ ճառագայթի պարաբոլիկ հայելին դրված է թափանցիկ, 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: Էլեկտրականություն, վակուումային պոմպեր, ջրի մաքրում, մաքրում և օդորակիչ գտնվում են նկուղում։ Շինարարության ընդհանուր մակերեսը ավելի քան 24000 մ2 է։ Ընդհանուր էներգիայի սպառումը կազմում է մոտ 7,5 ՄՎտ։ Փորձարարական շենքը բաղկացած է ներքին խոռոչի ընդհանուր շրջանակից և արտաքին հատվածից, որոնցից յուրաքանչյուրը կառուցված է երկու անջատված հիմքերի վրա: Վակուումը և թրթռում առաջացնող այլ համակարգերը տեղադրվում են թրթռումային մեկուսացված հիմքի վրա, որպեսզի հիմքի և հենարանի միջոցով լազերային համակարգին փոխանցվող խանգարման ամպլիտուդը կրճատվի մինչև 10-10 գ2/Հց-ից պակաս հաճախականության տիրույթում: 1-200 Հց. Բացի այդ, լազերային սրահում ստեղծվել է գեոդեզիական հղման մարկերների ցանց, որը համակարգված կերպով վերահսկում է հողի և սարքավորումների շեղումը:
XCELS նախագիծը նպատակ ունի ստեղծել մեծ գիտահետազոտական հաստատություն՝ հիմնված չափազանց բարձր հզորության լազերների վրա: XCELS լազերային համակարգի մեկ ալիքը կարող է ապահովել կենտրոնացված լույսի ինտենսիվություն մի քանի անգամ ավելի, քան 1024 Վտ/սմ2, որը կարող է հետագայում գերազանցվել 1025 Վտ/սմ2-ով հետսեղմման տեխնոլոգիայով: Լազերային համակարգում 12 ալիքներից դիպոլային կենտրոնացված իմպուլսների միջոցով կարելի է հասնել 1026 Վտ/սմ2-ին մոտ ինտենսիվություն նույնիսկ առանց հետսեղմման և փուլային արգելափակման: Եթե ալիքների միջև փուլային համաժամացումը արգելափակված է, լույսի ինտենսիվությունը մի քանի անգամ ավելի բարձր կլինի: Օգտագործելով այս ռեկորդային զարկերակային ինտենսիվությունները և բազմալիք ճառագայթների դասավորությունը՝ ապագա XCELS-ը կկարողանա փորձեր կատարել չափազանց բարձր ինտենսիվությամբ, լուսային դաշտի բարդ բաշխմամբ և ախտորոշել փոխազդեցությունները՝ օգտագործելով բազմալիք լազերային ճառագայթներ և երկրորդական ճառագայթում: Սա յուրահատուկ դեր կխաղա գերուժեղ էլեկտրամագնիսական դաշտի փորձարարական ֆիզիկայի ոլորտում։
Հրապարակման ժամանակը՝ Մար-26-2024