เมื่อเร็ว ๆ นี้ สถาบันฟิสิกส์ประยุกต์แห่ง Russian Academy of Sciences ได้เปิดตัว eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยสำหรับอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่มีพื้นฐานมาจากเลเซอร์กำลังสูง- โครงการนี้รวมถึงการก่อสร้างแบบอย่างมากเลเซอร์กำลังสูงอิงจากเทคโนโลยีการขยายสัญญาณพัลส์แบบเจี๊ยบแบบพาราเมตริกแบบออพติคัลในผลึกโพแทสเซียมไดดิวเทอเรียมฟอสเฟต (DKDP, สูตรทางเคมี KD2PO4) ที่มีรูรับแสงกว้าง โดยมีเอาต์พุตรวมที่คาดหวังไว้ที่พัลส์กำลังสูงสุด 600 PW งานนี้ให้รายละเอียดที่สำคัญและผลการวิจัยเกี่ยวกับโครงการ XCELS และระบบเลเซอร์ของโครงการ โดยอธิบายถึงการใช้งานและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของสนามแสงที่มีความเข้มสูงเป็นพิเศษ
โครงการ XCELS ได้รับการเสนอในปี 2554 โดยมีเป้าหมายเบื้องต้นในการบรรลุอำนาจสูงสุดเลเซอร์พัลส์เอาท์พุต 200 PW ซึ่งปัจจุบันอัพเกรดเป็น 600 PW ของมันระบบเลเซอร์อาศัยเทคโนโลยีหลัก 3 ประการ:
(1) เทคโนโลยี Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) ถูกนำมาใช้แทน Chirped Pulse Amplification แบบดั้งเดิม (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) ผู้สอบบัญชีรับอนุญาต) เทคโนโลยี
(2) การใช้ DKDP เป็นสื่อกลางในการขยาย การจับคู่เฟสย่านความถี่กว้างพิเศษจะเกิดขึ้นใกล้กับความยาวคลื่น 910 นาโนเมตร
(3) เลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมรูรับแสงขนาดใหญ่ที่มีพลังงานพัลส์หลายพันจูลใช้ในการปั๊มแอมพลิฟายเออร์แบบพาราเมตริก
การจับคู่เฟสแถบความถี่กว้างพิเศษพบได้ทั่วไปในคริสตัลหลายชนิด และใช้ในเลเซอร์ femtosecond ของ OPCPA มีการใช้คริสตัล DKDP เนื่องจากเป็นวัสดุชนิดเดียวที่พบได้จริงในทางปฏิบัติซึ่งสามารถขยายให้มีรูรับแสงกว้างขึ้นได้หลายสิบเซนติเมตร และในขณะเดียวกันก็มีคุณสมบัติด้านการมองเห็นที่ยอมรับได้เพื่อรองรับการขยายกำลังหลาย PWเลเซอร์- พบว่าเมื่อคริสตัล DKDP ถูกปั๊มด้วยแสงความถี่คู่ของเลเซอร์แก้ว ND หากความยาวคลื่นพาหะของพัลส์ที่ขยายคือ 910 นาโนเมตร สามเทอมแรกของการขยายตัวของเทย์เลอร์ของเวกเตอร์คลื่นที่ไม่ตรงกันคือ 0
รูปที่ 1 คือแผนผังของระบบเลเซอร์ XCELS ส่วนหน้าสร้างพัลส์ femtosecond ที่ร้องเจี๊ยก ๆ โดยมีความยาวคลื่นกลาง 910 นาโนเมตร (1.3 ในรูปที่ 1) และพัลส์นาโนวินาที 1,054 นาโนเมตรที่ฉีดเข้าไปในเลเซอร์ที่ปั๊ม OPCPA (1.1 และ 1.2 ในรูปที่ 1) ส่วนหน้ายังรับประกันการซิงโครไนซ์ของพัลส์เหล่านี้ตลอดจนพลังงานที่ต้องการและพารามิเตอร์ spatiotemporal OPCPA ระดับกลางที่ทำงานที่อัตราการทำซ้ำที่สูงกว่า (1 Hz) จะขยายพัลส์ที่ส่งเสียงร้องเป็นสิบจูล (2 ในรูปที่ 1) พัลส์จะถูกขยายเพิ่มเติมโดย Booster OPCPA ให้เป็นลำแสงกิโลจูลเดียว และแบ่งออกเป็นลำแสงย่อยที่เหมือนกัน 12 ลำแสง (4 ในรูปที่ 1) ใน 12 OPCPA สุดท้าย แต่ละพัลส์แสงที่ร้องเจี๊ยก ๆ 12 พัลส์จะถูกขยายเป็นระดับกิโลจูล (5 ในรูปที่ 1) จากนั้นบีบอัดด้วยตะแกรงการบีบอัด 12 อัน (GC ของ 6 ในรูปที่ 1) ตัวกรองการกระจายตัวแบบตั้งโปรแกรมได้แบบอะคูสติกออปติกถูกนำมาใช้ในส่วนหน้าเพื่อควบคุมการกระจายตัวของความเร็วของกลุ่มและการกระจายลำดับที่สูงอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้ความกว้างพัลส์ที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ สเปกตรัมพัลส์มีรูปร่างเกือบซุปเปอร์เกาส์อันดับที่ 12 และแบนด์วิธสเปกตรัมที่ 1% ของค่าสูงสุดคือ 150 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับความกว้างพัลส์ขีดจำกัดการแปลงฟูริเยร์ที่ 17 fs เมื่อพิจารณาถึงการชดเชยการกระจายที่ไม่สมบูรณ์และความยากของการชดเชยเฟสแบบไม่เชิงเส้นในแอมพลิฟายเออร์แบบพาราเมตริก ความกว้างพัลส์ที่คาดหวังคือ 20 fs
เลเซอร์ XCELS จะใช้โมดูลเพิ่มความถี่เลเซอร์แก้วนีโอดิเมียม UFL-2M 8 แชนเนลจำนวน 2 โมดูล (3 ในรูปที่ 1) โดย 13 แชนเนลจะใช้ในการปั๊ม Booster OPCPA และ 12 OPCPA สุดท้าย อีกสามช่องที่เหลือจะถูกใช้เป็นพัลส์กิโลจูลนาโนวินาทีอิสระแหล่งเลเซอร์สำหรับการทดลองอื่นๆ ถูกจำกัดโดยเกณฑ์การแยกย่อยเชิงแสงของผลึก DKDP ความเข้มของการฉายรังสีของพัลส์ที่ถูกสูบจะถูกตั้งค่าไว้ที่ 1.5 GW/cm2 สำหรับแต่ละช่องสัญญาณ และระยะเวลาคือ 3.5 ns
แต่ละช่องของเลเซอร์ XCELS จะสร้างพัลส์ที่มีกำลัง 50 PW จำนวนช่องสัญญาณทั้งหมด 12 ช่องให้กำลังเอาต์พุตรวม 600 PW ในห้องเป้าหมายหลัก ความเข้มของการโฟกัสสูงสุดของแต่ละช่องสัญญาณภายใต้สภาวะที่เหมาะสมคือ 0.44×1025 W/cm2 โดยถือว่าใช้องค์ประกอบการโฟกัส F/1 สำหรับการโฟกัส หากพัลส์ของแต่ละช่องถูกบีบอัดเพิ่มเติมเป็น 2.6 fs โดยเทคนิคหลังการบีบอัด กำลังพัลส์เอาท์พุตที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 230 PW ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มแสง 2.0×1,025 W/cm2
เพื่อให้ได้ความเข้มของแสงที่มากขึ้น ที่เอาต์พุต 600 PW พัลส์แสงใน 12 ช่องสัญญาณจะถูกโฟกัสในเรขาคณิตของการแผ่รังสีไดโพลผกผัน ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อเฟสพัลส์ในแต่ละช่องไม่ได้ล็อค ความเข้มของโฟกัสสามารถ ถึง 9×1025 วัตต์/ซม.2 หากแต่ละเฟสพัลส์ถูกล็อคและซิงโครไนซ์ ความเข้มแสงผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.2×1026 W/cm2 นอกเหนือจากห้องเป้าหมายหลักแล้ว โครงการ XCELS ยังมีห้องปฏิบัติการของผู้ใช้ถึง 10 ห้อง โดยแต่ละห้องจะได้รับลำแสงสำหรับการทดลองอย่างน้อยหนึ่งลำแสง โครงการ XCELS วางแผนที่จะดำเนินการทดลองใน 4 ประเภท ได้แก่ กระบวนการอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมในสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นสูง การใช้สนามแสงที่มีความเข้มสูงมากนี้ การผลิตและการเร่งความเร็วของอนุภาค การสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุติยภูมิ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการ กระบวนการความหนาแน่นของพลังงานสูง และการวิจัยเชิงวินิจฉัย
มะเดื่อ. 2 การโฟกัสเรขาคณิตในห้องเป้าหมายหลัก เพื่อความชัดเจน กระจกพาราโบลาของลำแสง 6 ถูกตั้งค่าเป็นแบบโปร่งใส และลำแสงอินพุตและเอาต์พุตจะแสดงเพียงสองช่องสัญญาณ 1 และ 7
รูปที่ 3 แสดงเค้าโครงเชิงพื้นที่ของแต่ละพื้นที่ทำงานของระบบเลเซอร์ XCELS ในอาคารทดลอง ไฟฟ้า ปั๊มสุญญากาศ การบำบัดน้ำ การทำให้บริสุทธิ์ และการปรับอากาศอยู่ที่ชั้นใต้ดิน พื้นที่ก่อสร้างรวมมากกว่า 24,000 ตารางเมตร ปริมาณการใช้พลังงานรวมประมาณ 7.5 เมกะวัตต์ อาคารทดลองประกอบด้วยโครงโดยรวมกลวงภายในและส่วนภายนอก ซึ่งแต่ละหลังสร้างขึ้นบนฐานรากที่แยกออกจากกันสองฐาน มีการติดตั้งระบบสุญญากาศและระบบกระตุ้นการสั่นสะเทือนอื่นๆ บนฐานรากที่แยกการสั่นสะเทือน เพื่อให้ความกว้างของสัญญาณรบกวนที่ส่งไปยังระบบเลเซอร์ผ่านฐานรากและส่วนรองรับลดลงเหลือน้อยกว่า 10-10 g2/Hz ในช่วงความถี่ของ 1-200 เฮิรตซ์ นอกจากนี้ ยังมีการจัดตั้งเครือข่ายเครื่องหมายอ้างอิงเชิงภูมิศาสตร์ในห้องโถงเลเซอร์เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนตัวของพื้นดินและอุปกรณ์อย่างเป็นระบบ
โครงการ XCELS มีเป้าหมายเพื่อสร้างศูนย์วิจัยทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่โดยใช้เลเซอร์กำลังสูงสุดที่สูงมาก ช่องหนึ่งของระบบเลเซอร์ XCELS อาจให้ความเข้มของแสงที่โฟกัสสูงกว่า 1,024 W/cm2 หลายเท่า ซึ่งสามารถเกินได้อีก 1,025 W/cm2 ด้วยเทคโนโลยีหลังการบีบอัด ด้วยพัลส์โฟกัสแบบไดโพลจาก 12 ช่องในระบบเลเซอร์ จึงสามารถบรรลุความเข้มที่ใกล้เคียงกับ 1,026 W/cm2 แม้ว่าจะไม่มีการหลังการบีบอัดและการล็อกเฟสก็ตาม หากการซิงโครไนซ์เฟสระหว่างช่องถูกล็อค ความเข้มของแสงจะสูงขึ้นหลายเท่า ด้วยการใช้ความเข้มของพัลส์ที่ทำลายสถิติเหล่านี้และรูปแบบลำแสงแบบหลายช่องสัญญาณ อุปกรณ์อำนวยความสะดวกของ XCELS ในอนาคตจะสามารถทำการทดลองที่มีความเข้มสูงมาก การกระจายสนามแสงที่ซับซ้อน และวินิจฉัยปฏิกิริยาโต้ตอบโดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบหลายช่องสัญญาณและการแผ่รังสีทุติยภูมิ สิ่งนี้จะมีบทบาทพิเศษในสาขาฟิสิกส์ทดลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีกำลังแรงสูง
เวลาโพสต์: 26 มี.ค. 2024