Mới đây, Viện Vật lý Ứng dụng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã giới thiệu Trung tâm Nghiên cứu Ánh sáng Cực mạnh eXawatt (XCELS), một chương trình nghiên cứu về các thiết bị khoa học cỡ lớn dựa trên các vật liệu cực mạnh.tia laser công suất caoDự án này bao gồm việc xây dựng một công trình rất lớn.tia laser công suất caoDựa trên công nghệ khuếch đại xung biến đổi tần số tham số quang học trong các tinh thể kali dideuterium photphat (DKDP, công thức hóa học KD2PO4) khẩu độ lớn, với tổng công suất đầu ra dự kiến là 600 PW xung công suất đỉnh. 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 nó, 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 đại.tia laserCông suất xung đầu ra là 200 PW, hiện đã được nâng cấp lên 600 PW.hệ thống laserdựa trên ba công nghệ chính:
(1) Công nghệ Khuếch đại xung biến tần tham số quang học (OPCPA) được sử dụng thay cho công nghệ Khuếch đại xung biến tần truyền thống (Khuếch đại xung biến tần, OPCPA). CPA);
(2) Sử dụng DKDP làm môi trường khuếch đại, sự khớp pha băng thông siêu rộng được thực hiện gần bước sóng 910 nm;
(3) Một laser thủy tinh neodymium khẩu độ lớn với năng lượng xung hàng ngàn joule được sử dụng để bơm bộ khuếch đại tham số.
Khả năng khớp pha siêu băng rộng được tìm thấy rộng rãi trong nhiều loại tinh thể và được sử dụng trong các laser femtô giây OPCPA. Tinh thể DKDP được sử dụng vì chúng là vật liệu duy nhất được tìm thấy trong thực tế có thể được nuôi cấy đến kích thước khẩu độ hàng chục centimet và đồng thời có các đặc tính quang học chấp nhận được để hỗ trợ khuếch đại công suất nhiều PW.tia laserNgười ta nhận thấy rằng khi tinh thể DKDP được kích thích bằng ánh sáng tần số kép của laser thủy tinh ND, nếu bước sóng sóng mang của xung khuếch đại là 910 nm, thì ba số hạng đầu tiên của khai triển Taylor về độ lệch vectơ sóng bằng 0.
Hình 1 là sơ đồ bố trí hệ thống laser XCELS. Phần đầu vào tạo ra các xung femtô giây biến đổi tần số với bước sóng trung tâm 910 nm (1.3 trong Hình 1) và các xung nano giây 1054 nm được đưa vào laser bơm bằng OPCPA (1.1 và 1.2 trong Hình 1). Phần đầu vào cũng đảm bảo sự đồng bộ của các xung này cũng như năng lượng và các thông số không gian-thời gian cần thiết. Một OPCPA trung gian hoạt động ở tần số lặp lại cao hơn (1 Hz) khuếch đại xung biến đổi tần số lên đến hàng chục joule (2 trong Hình 1). Xung này tiếp tục được khuếch đại bởi Booster OPCPA thành một chùm tia kilojoule duy nhất và được chia thành 12 chùm tia con giống hệt nhau (4 trong Hình 1). Trong OPCPA 12 cuối cùng, mỗi trong số 12 xung ánh sáng biến đổi tần số được khuếch đại lên mức kilojoule (5 trong Hình 1) và sau đó được nén bởi 12 lưới nén (GC là 6 trong Hình 1). Bộ lọc tán sắc lập trình quang âm được sử dụng ở phần đầu vào để kiểm soát chính xác tán sắc vận tốc nhóm và tán sắc bậc cao, nhằm thu được độ rộng xung nhỏ nhất có thể. Phổ xung có dạng gần giống siêu Gauss bậc 12, và băng thông phổ ở 1% giá trị cực đại là 150 nm, tương ứng với giới hạn độ rộng xung biến đổi Fourier là 17 fs. Xét đến sự bù tán sắc không hoàn toàn và khó khăn trong việc bù pha phi tuyến trong bộ khuếch đại tham số, độ rộng xung mong muốn 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 Booster OPCPA và 12 kênh để bơm OPCPA cuối cùng. Ba kênh còn lại sẽ được sử dụng làm các xung kilojoule nano giây độc lập.nguồn laserĐối với các thí nghiệm khác. Do giới hạn ngưỡng phá vỡ 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 có công suất 50 PW. Tổng cộng 12 kênh cung cấp tổng công suất đầu ra là 600 PW. Trong buồng mục tiêu 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 phần tử hội tụ F/1 để hội tụ. Nếu xung của mỗi kênh được nén thêm xuống 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 cao hơn, ở công suất đầu ra 600 PW, các xung ánh sáng trong 12 kênh sẽ được hội tụ theo hình học bức xạ lưỡng cực ngược, như thể hiện trong Hình 2. Khi pha xung trong mỗi kênh không được 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 hợp sẽ tăng lên 3,2×1026 W/cm2. Ngoài phòng thí nghiệm 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 thí nghiệm. Sử dụng trường ánh sáng cực mạnh này, dự án XCELS dự định thực hiện các thí nghiệm trong bốn lĩnh vực: các quá trình điện động lực học lượng tử trong trường laser cường độ cao; Sản xuất và gia tốc các hạt; 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 dễ hình dung, 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 thể hiện bố cục không gian của từng khu vực chức năng của hệ thống laser XCELS trong tòa nhà thí nghiệm. Hệ thống điện, bơm chân không, xử lý nước, lọc nước và điều hòa không khí được đặt ở tầng hầm. Tổng diện tích xây dựng hơn 24.000 m2. Tổng công suất tiêu thụ khoảng 7,5 MW. Tòa nhà thí nghiệm bao gồm một khung tổng thể rỗng bên trong và một phần bên ngoài, mỗi phần được xây dựng trên hai móng tách rời. Hệ thống chân không và các hệ thống gây rung khác được lắp đặt trên móng cách ly rung động, sao cho biên độ nhiễu truyền đến hệ thống laser thông qua 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 mốc tham chiếu trắc địa được thiết lập trong phòng laser để giám sát một cách có hệ thống sự dịch chuyển của mặt đất và thiết bị.
Dự án XCELS hướng đến việc tạo ra một cơ sở nghiên cứu khoa học quy mô lớn dựa trên các laser có công suất đỉnh 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 quá con số này tới 1025 W/cm2 với công nghệ nén sau. Bằng cách hội tụ các xung từ 12 kênh trong hệ thống laser, cường độ gần 1026 W/cm2 có thể đạt được ngay cả khi không cần nén sau và khóa pha. Nếu đồng bộ pha giữa các kênh được khóa, cường độ ánh sáng sẽ cao hơn nhiều lần. Sử dụng cường độ xung kỷ lục này và bố cục chùm tia đa kênh, cơ sở XCELS trong tương lai sẽ có khả năng thực hiện các thí nghiệm với cường độ cực cao, phân bố trường ánh sáng phức tạp và chẩn đoán các tương tác bằng cách sử dụng 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 bài: 26/03/2024