Gần đây, Viện Vật lý Ứng dụng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã giới thiệu Trung tâm Nghiên cứu Ánh sáng Cực đại eXawatt (XCELS), một chương trình nghiên cứu các thiết bị khoa học lớn dựa trên ánh sáng cực đạitia laser công suất cao. Dự án bao gồm việc xây dựng mộtlaser công suất caodựa trên công nghệ khuếch đại xung chirped tham số quang học trong tinh thể kali dideuterium phosphate khẩu độ lớn (DKDP, công thức hóa học KD2PO4), với tổng công suất đầu ra dự kiến là 600 xung công suất cực đại PW. Công trình này cung cấp các chi tiết quan trọng và kết quả nghiên cứu về dự án XCELS và các hệ thống laser của dự án, đồng thời mô tả các ứng dụng và tác động tiềm tàng liên quan đến tương tác trường ánh sáng cực mạnh.
Chương trình XCELS được đề xuất vào năm 2011 với mục tiêu ban đầu là đạt được công suất cực đạitia laserxung đầu ra 200 PW, hiện đang được nâng cấp lên 600 PW.hệ thống laserdựa vào ba công nghệ chính:
(1) Công nghệ khuếch đại xung chirped tham số quang học (OPCPA) được sử dụng thay cho công nghệ khuếch đại xung chirped truyền thống (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) Sử dụng DKDP làm môi trường khuếch đại, việc khớp pha băng thông cực rộng được thực hiện gần bước sóng 910 nm;
(3) Một tia laser thủy tinh neodymium khẩu độ lớn với năng lượng xung hàng nghìn joule được sử dụng để bơm bộ khuếch đại tham số.
Sự khớp pha băng thông siêu rộng được tìm thấy rộng rãi trong nhiều tinh thể và được sử dụng trong laser femto giây OPCPA. Tinh thể DKDP được sử dụng vì chúng là vật liệu duy nhất được tìm thấy trong thực tế có thể phát triển đến khẩu độ hàng chục cm và đồng thời có chất lượng quang học chấp nhận được để hỗ trợ khuếch đại công suất đa PW.tia laser. Người ta thấy rằng khi tinh thể DKDP được bơm bằng ánh sáng tần số kép của tia laser thủy tinh ND, nếu bước sóng sóng mang của xung khuếch đại là 910 nm, ba số hạng đầu tiên của phép khai triển Taylor về sự không khớp vectơ sóng là 0.
Hình 1 là sơ đồ bố trí hệ thống laser XCELS. Đầu phát tạo ra các xung femto giây chirped với bước sóng trung tâm là 910 nm (1,3 trong Hình 1) và các xung nano giây 1054 nm được đưa vào laser bơm OPCPA (1,1 và 1,2 trong Hình 1). Đầu phát cũng đảm bảo sự đồng bộ hóa của các xung này cũng như các thông số năng lượng và không gian thời gian cần thiết. Một OPCPA trung gian hoạt động ở tốc độ lặp lại cao hơn (1 Hz) khuếch đại xung chirped lên hàng chục joule (2 trong Hình 1). Xung này được khuếch đại thêm bởi Booster OPCPA thành một chùm kilojoule duy nhất và chia thành 12 chùm con giống hệt nhau (4 trong Hình 1). Trong 12 OPCPA cuối cùng, mỗi xung ánh sáng chirped trong số 12 xung được khuếch đại lên mức kilojoule (5 trong Hình 1) và sau đó được nén bởi 12 cách tử nén (GC của 6 trong Hình 1). Bộ lọc tán sắc lập trình quang-âm được sử dụng ở đầu vào để kiểm soát chính xác tán sắc vận tốc nhóm và tán sắc bậc cao, nhằm đạt được độ rộng xung nhỏ nhất có thể. Phổ xung có dạng gần giống siêu Gauss bậc 12, và băng thông phổ tại 1% giá trị cực đại là 150 nm, tương ứng với độ rộng xung giới hạn biến đổi Fourier là 17 fs. Xem xét bù tán sắc không hoàn toàn và độ khó của bù pha phi tuyến tính trong bộ khuếch đại tham số, độ rộng xung dự kiến là 20 fs.
Laser XCELS sẽ sử dụng hai mô-đun nhân đôi tần số laser thủy tinh neodymium UFL-2M 8 kênh (3 trong Hình 1), trong đó 13 kênh sẽ được sử dụng để bơm OPCPA tăng cường và 12 kênh OPCPA cuối cùng. Ba kênh còn lại sẽ được sử dụng làm xung kilojoule nano giây độc lập.nguồn lasercho các thí nghiệm khác. Bị giới hạn bởi ngưỡng đánh thủng quang học của tinh thể DKDP, cường độ chiếu xạ của xung bơm được đặt ở mức 1,5 GW/cm2 cho mỗi kênh và thời lượng là 3,5 ns.
Mỗi kênh của laser XCELS tạo ra các xung với công suất 50 PW. Tổng cộng 12 kênh cung cấp tổng công suất đầu ra là 600 PW. Trong buồng bia chính, cường độ hội tụ tối đa của mỗi kênh trong điều kiện lý tưởng là 0,44×1025 W/cm², giả sử sử dụng các thành phần hội tụ F/1 để hội tụ. Nếu xung của mỗi kênh được nén thêm đến 2,6 fs bằng kỹ thuật nén sau, công suất xung đầu ra tương ứng sẽ tăng lên 230 PW, tương ứng với cường độ ánh sáng là 2,0×1025 W/cm².
Để đạt được cường độ ánh sáng lớn hơn, ở công suất đầu ra 600 PW, các xung ánh sáng trong 12 kênh sẽ được hội tụ theo hình học của bức xạ lưỡng cực nghịch, như thể hiện trong Hình 2. Khi pha xung trong mỗi kênh không bị khóa, cường độ hội tụ có thể đạt tới 9×1025 W/cm2. Nếu mỗi pha xung được khóa và đồng bộ hóa, cường độ ánh sáng kết quả nhất quán sẽ tăng lên 3,2×1026 W/cm2. Ngoài phòng mục tiêu chính, dự án XCELS còn bao gồm tối đa 10 phòng thí nghiệm người dùng, mỗi phòng nhận một hoặc nhiều chùm tia để thực hiện các thí nghiệm. Sử dụng trường ánh sáng cực mạnh này, dự án XCELS có kế hoạch thực hiện các thí nghiệm trong bốn loại: các quá trình điện động lực học lượng tử trong trường laser cường độ cao; Sự sản sinh và gia tốc của các hạt; Sự tạo ra bức xạ điện từ thứ cấp; Vật lý thiên văn trong phòng thí nghiệm, các quá trình mật độ năng lượng cao và nghiên cứu chẩn đoán.
HÌNH 2. Hình học hội tụ trong buồng mục tiêu chính. Để rõ nét, gương parabol của chùm tia 6 được đặt ở chế độ trong suốt, và các chùm tia đầu vào và đầu ra chỉ hiển thị hai kênh 1 và 7.
Hình 3 cho thấy bố cục không gian của từng khu vực chức năng của hệ thống laser XCELS trong tòa nhà thử nghiệm. Điện, bơm chân không, xử lý nước, lọc và điều hòa không khí được đặt ở tầng hầm. Tổng diện tích xây dựng là hơn 24.000 m2. Tổng mức tiêu thụ điện năng khoảng 7,5 MW. Tòa nhà thử nghiệm bao gồm một khung tổng thể rỗng bên trong và một phần bên ngoài, mỗi phần được xây dựng trên hai nền móng tách rời. Hệ thống chân không và các hệ thống tạo rung động khác được lắp đặt trên nền móng cách ly rung động, do đó biên độ nhiễu truyền đến hệ thống laser thông qua nền móng và giá đỡ được giảm xuống dưới 10-10 g2/Hz trong dải tần số 1-200 Hz. Ngoài ra, một mạng lưới các điểm tham chiếu trắc địa được thiết lập trong sảnh laser để theo dõi một cách có hệ thống sự trôi dạt của mặt đất và thiết bị.
Dự án XCELS nhằm mục đích tạo ra một cơ sở nghiên cứu khoa học lớn dựa trên các tia laser công suất cực đại cực cao. Một kênh của hệ thống laser XCELS có thể cung cấp cường độ ánh sáng hội tụ cao hơn nhiều lần so với 1024 W/cm2, và có thể vượt xa hơn nữa là 1025 W/cm2 với công nghệ nén sau. Bằng các xung hội tụ lưỡng cực từ 12 kênh trong hệ thống laser, cường độ gần 1026 W/cm2 có thể đạt được ngay cả khi không nén sau và khóa pha. Nếu đồng bộ pha giữa các kênh bị khóa, cường độ ánh sáng sẽ cao hơn nhiều lần. Sử dụng các cường độ xung phá kỷ lục này và bố cục chùm tia đa kênh, cơ sở XCELS trong tương lai sẽ có thể thực hiện các thí nghiệm với cường độ cực cao, phân bố trường ánh sáng phức tạp và chẩn đoán tương tác bằng các chùm tia laser đa kênh và bức xạ thứ cấp. Điều này sẽ đóng một vai trò độc đáo trong lĩnh vực vật lý thực nghiệm trường điện từ siêu mạnh.
Thời gian đăng: 26-03-2024