Mới đây, Viện Vật lý ứng dụng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã giới thiệu Trung tâm nghiên cứu ánh sáng cực tím (XCELS) eXawatt, một chương trình nghiên cứu dành cho các thiết bị khoa học lớn dựa trên công nghệ cực tím.laser công suất cao. Dự án bao gồm việc xây dựng rấttia laser công suất caodựa trên công nghệ khuếch đại xung chirped tham số quang học trong tinh thể kali dideuterium photphat (DKDP, công thức hóa học KD2PO4) khẩu độ lớn, với tổng công suất xung dự kiến là 600 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 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 tối đatia lazecông suất xung 200 PW, hiện đã được nâng cấp lên 600 PW. Của nóhệ thống laserdựa trên ba công nghệ chính:
(1) Công nghệ Khuếch đại xung Chirped Chirped Quang học (OPCPA) được sử dụng thay thế cho Công nghệ Khuếch đại xung Chirped truyền thống (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) công nghệ;
(2) Sử dụng DKDP làm môi trường khuếch đại, việc khớp pha băng tần cực rộng được thực hiện gần bước sóng 910 nm;
(3) Một tia laser thủy tinh neodymium khẩu độ lớn có năng lượng xung hàng nghìn joules được sử dụng để bơm bộ khuếch đại tham số.
Kết hợp pha băng tần siêu rộng được tìm thấy rộng rãi trong nhiều tinh thể và được sử dụng trong laser femtosecond OPCPA. Tinh thể DKDP được sử dụng vì chúng là vật liệu duy nhất được tìm thấy trong thực tế có thể mở rộng khẩu độ lên hàng chục cm, đồng thời có chất lượng quang học chấp nhận được để hỗ trợ khuếch đại công suất nhiều PWtia laser. Người ta thấy rằng khi tinh thể DKDP được bơm bởi 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 sự mở rộng Taylor của vectơ sóng không khớp là 0.
Hình 1 là sơ đồ bố trí của hệ thống laser XCELS. Phần đầu phía trước tạo ra các xung femto giây có tiếng kêu với bước sóng trung tâm là 910 nm (1,3 trong Hình 1) và các xung nano giây 1054 nm được đưa vào tia laser được bơm OPCPA (1,1 và 1,2 trong Hình 1). Mặt trước 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) sẽ khuếch đại xung được chirped lên hàng chục joules (2 trong Hình 1). Xung được khuếch đại thêm bởi Booster OPCPA thành một chùm kilojoule đơn và được chia thành 12 chùm phụ giống hệt nhau (4 trong Hình 1). Trong 12 OPCPA cuối cùng, mỗi trong số 12 xung ánh sáng chirped được khuếch đại đến mức kilojoule (5 trong Hình 1) và sau đó được nén bằng 12 cách tử nén (GC là 6 trong Hình 1). Bộ lọc phân tán lập trình quang âm được sử dụng ở mặt trước để kiểm soát chính xác độ phân tán vận tốc nhóm và độ phân tán bậc cao, để thu được độ rộng xung nhỏ nhất có thể. Phổ xung có dạng siêu gauss bậc 12 và băng thông phổ ở 1% giá trị cực đại là 150 nm, tương ứng với độ rộng xung giới hạn biến đổi Fourier là 17 fs. Xem xét khả năng bù tán sắc không hoàn toàn và khó khăn trong việc bù pha phi tuyến trong các 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 Booster OPCPA và 12 kênh OPCPA cuối cùng. Ba kênh còn lại sẽ được sử dụng làm xung kilojoule nano giây độc lậpnguồn lasercho các thí nghiệm khác. Bị giới hạn bởi ngưỡng đánh thủng quang học của tinh thể DKDP, cường độ chiếu xạ của xung được bơm được đặt thành 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 có 12 kênh cung cấp tổng công suất đầu ra là 600 PW. Trong buồng mục tiêu chính, cường độ lấy nét tối đa của mỗi kênh trong điều kiện lý tưởng là 0,44×1025 W/cm2, giả sử rằng phần tử lấy nét F/1 được sử dụng để lấy nét. Nếu xung của mỗi kênh được nén thêm đến 2,6 fs bằng kỹ thuật nén sau thì công suất xung đầu ra tương ứng sẽ được 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 600 PW, các xung ánh sáng trong 12 kênh sẽ được tập trung theo dạng hình học của bức xạ lưỡng cực nghịch đảo, như trong Hình 2. Khi pha xung trong mỗi kênh không bị khóa, cường độ tập trung có thể đạt 9×1025 W/cm2. Nếu mỗi pha xung bị khóa và đồng bộ, cường độ ánh sáng tổng hợp kết hợp 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 thí nghiệm. Sử dụng trường ánh sáng cực mạnh này, dự án XCELS có kế hoạch thực hiện các thí nghiệm theo bốn loại: các quá trình điện động lực học lượng tử trong các 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, quy trình mật độ năng lượng cao và nghiên cứu chẩn đoán.
QUẢ SUNG. 2 Hình học lấy nét trong buồng mục tiêu chính. Để rõ ràng, gương parabol của chùm 6 được đặt thành trong suốt và chùm đầu vào và đầu ra chỉ hiển thị hai kênh 1 và 7
Hình 3 thể hiện sơ đồ bố trí không gian của từng khu chức năng của hệ thống laser XCELS trong tòa nhà thí nghiệm. Điện, máy bơm chân không, xử lý nước, lọc và điều hòa không khí được bố trí ở tầng hầm. Tổng diện tích xây dựng hơn 24.000 m2. Tổng công suất tiêu thụ 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 khác được lắp đặt trên nền cách ly rung, sao cho biên độ nhiễu truyền đến hệ thống laser thông qua nền và giá đỡ giảm xuống dưới 10-10 g2/Hz trong dải tần số từ 10-10 g2/Hz. 1-200Hz. Ngoài ra, một mạng lưới các điểm tham chiếu trắc địa được thiết lập trong hội trường 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. Một kênh của hệ thống laser XCELS có thể cung cấp cường độ ánh sáng tập trung cao hơn nhiều lần so với 1024 W/cm2, có thể vượt quá 1025 W/cm2 với công nghệ nén sau. Bằng các xung tập trung lưỡng cực từ 12 kênh trong hệ thống laser, có thể đạt được cường độ gần 1026 W/cm2 ngay cả khi không nén sau và khóa pha. Nếu khóa đồng bộ pha giữa các kênh thì cường độ ánh sáng sẽ cao hơn gấp mấy lần. Bằng cách sử dụng các cường độ xung kỷ lục này và cách bố trí 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 các tương tác bằng cách sử dụng chùm tia laze 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