เมื่อเร็วๆ นี้ สถาบันฟิสิกส์ประยุกต์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์รัสเซียได้เปิดตัว eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยสำหรับอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเลเซอร์กำลังสูง. โครงการนี้รวมถึงการก่อสร้างอาคารเลเซอร์กำลังสูงโดยอาศัยเทคโนโลยีการขยายสัญญาณพัลส์แบบพาราเมตริกแบบออปติคัลในผลึกโพแทสเซียมไดดิวเทอเรียมฟอสเฟต (DKDP สูตรเคมี KD2PO4) ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ โดยคาดว่าจะมีกำลังพัลส์สูงสุดรวม 600 PW งานวิจัยนี้ให้รายละเอียดที่สำคัญและผลการวิจัยเกี่ยวกับโครงการ XCELS และระบบเลเซอร์ โดยอธิบายถึงการประยุกต์ใช้งานและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาสนามแสงที่มีความเข้มสูงเป็นพิเศษ
โปรแกรม XCELS ได้รับการเสนอในปี 2011 โดยมีเป้าหมายเบื้องต้นในการบรรลุพลังงานสูงสุดเลเซอร์เอาต์พุตพัลส์ 200 PW ซึ่งปัจจุบันได้รับการอัพเกรดเป็น 600 PWระบบเลเซอร์อาศัยเทคโนโลยีหลัก 3 ประการ:
(1) ใช้เทคโนโลยี Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) แทนเทคโนโลยี Chirped Pulse Amplification แบบดั้งเดิม (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) (CPA)
(2) การใช้ DKDP เป็นตัวกลางเกน การจับคู่เฟสแบนด์กว้างพิเศษจะเกิดขึ้นใกล้กับความยาวคลื่น 910 นาโนเมตร
(3) เลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมรูรับแสงขนาดใหญ่ที่มีพลังงานพัลส์หลายพันจูลใช้ในการปั๊มเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริก
การจับคู่เฟสแบบอัลตราไวด์แบนด์พบได้ทั่วไปในผลึกหลายชนิด และใช้ในเลเซอร์เฟมโตวินาที OPCPA ผลึก DKDP ถูกนำมาใช้เนื่องจากเป็นวัสดุชนิดเดียวที่พบได้ในทางปฏิบัติ ซึ่งสามารถขยายขนาดรูรับแสงได้หลายสิบเซนติเมตร และในขณะเดียวกันก็มีคุณภาพทางแสงที่ยอมรับได้ เพื่อรองรับการขยายกำลังไฟฟ้าหลาย PWเลเซอร์พบว่าเมื่อคริสตัล DKDP ถูกปั๊มโดยแสงความถี่คู่ของเลเซอร์แก้ว ND หากความยาวคลื่นพาหะของพัลส์ที่ขยายคือ 910 นาโนเมตร สามเทอมแรกของการขยายเทย์เลอร์ของความไม่ตรงกันของเวกเตอร์คลื่นจะเป็น 0
รูปที่ 1 แสดงแผนผังของระบบเลเซอร์ XCELS ส่วนหน้าสร้างพัลส์เฟมโตวินาทีแบบสั่นที่มีความยาวคลื่นกลาง 910 นาโนเมตร (1.3 ในรูปที่ 1) และพัลส์นาโนวินาทีขนาด 1054 นาโนเมตรที่ฉีดเข้าไปในเลเซอร์แบบปั๊ม OPCPA (1.1 และ 1.2 ในรูปที่ 1) ส่วนหน้ายังช่วยรับประกันการซิงโครไนซ์ของพัลส์เหล่านี้ รวมถึงพลังงานและพารามิเตอร์เชิงปริภูมิและเวลาที่จำเป็น OPCPA ระดับกลางที่ทำงานด้วยอัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้น (1 เฮิรตซ์) จะขยายพัลส์แบบสั่นเป็นสิบจูล (2 ในรูปที่ 1) พัลส์จะถูกขยายเพิ่มเติมโดย Booster OPCPA ให้เป็นลำแสงกิโลจูลเดียว และแบ่งออกเป็นลำแสงย่อยที่เหมือนกัน 12 ลำ (4 ในรูปที่ 1) ใน OPCPA 12 ชุดสุดท้าย พัลส์แสงที่ส่งเสียงแหลม 12 พัลส์จะถูกขยายให้ถึงระดับกิโลจูล (5 ในรูปที่ 1) จากนั้นจึงถูกบีบอัดด้วยเกรตติงการบีบอัด 12 ช่อง (GC ของ 6 ในรูปที่ 1) ตัวกรองกระจายแสงแบบตั้งโปรแกรมได้อะคูสติกออปติกถูกใช้ในส่วนหน้าเพื่อควบคุมการกระจายความเร็วกลุ่มและการกระจายแสงลำดับสูงอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้ความกว้างของพัลส์ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สเปกตรัมพัลส์มีรูปร่างเกือบซูเปอร์เกาส์ลำดับที่ 12 และแบนด์วิดท์สเปกตรัมที่ 1% ของค่าสูงสุดคือ 150 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับความกว้างของพัลส์ขีดจำกัดการแปลงฟูริเยร์ที่ 17 fs เมื่อพิจารณาถึงการชดเชยการกระจายที่ไม่สมบูรณ์และความยากของการชดเชยเฟสแบบไม่เชิงเส้นในเครื่องขยายสัญญาณแบบพาราเมตริก ความกว้างของพัลส์ที่คาดไว้คือ 20 fs
เลเซอร์ XCELS จะใช้โมดูลเพิ่มความถี่เลเซอร์แก้วนีโอดิเมียม UFL-2M 8 ช่องสัญญาณ จำนวน 2 โมดูล (3 โมดูลในรูปที่ 1) โดย 13 ช่องสัญญาณจะใช้สำหรับปั๊ม Booster OPCPA และ 12 OPCPA สุดท้าย ช่องสัญญาณที่เหลืออีก 3 ช่องสัญญาณจะใช้เป็นพัลส์แบบกิโลจูลนาโนวินาทีอิสระแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการทดลองอื่นๆ เนื่องจากถูกจำกัดด้วยเกณฑ์การสลายแสงของผลึก DKDP ความเข้มของการแผ่รังสีของพัลส์ที่ถูกสูบจึงถูกตั้งไว้ที่ 1.5 GW/cm2 สำหรับแต่ละช่องสัญญาณ และระยะเวลาคือ 3.5 นาโนวินาที
แต่ละช่องสัญญาณของเลเซอร์ XCELS จะปล่อยพัลส์ที่มีกำลังส่ง 50 PW โดย 12 ช่องสัญญาณจะให้กำลังส่งรวม 600 PW ในห้องเป้าหมายหลัก ความเข้มของการโฟกัสสูงสุดของแต่ละช่องสัญญาณภายใต้สภาวะที่เหมาะสมคือ 0.44×1025 W/cm2 โดยสมมติว่าใช้องค์ประกอบโฟกัส F/1 สำหรับการโฟกัส หากบีบอัดพัลส์ของแต่ละช่องสัญญาณเพิ่มเติมเป็น 2.6 fs ด้วยเทคนิคหลังการบีบอัด กำลังส่งพัลส์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 230 PW ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มแสงที่ 2.0×1025 W/cm2
เพื่อให้ได้ความเข้มแสงที่มากขึ้น ที่เอาต์พุต 600 PW พัลส์แสงใน 12 ช่องสัญญาณจะถูกโฟกัสในรูปทรงเรขาคณิตของรังสีไดโพลผกผัน ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อเฟสพัลส์ในแต่ละช่องสัญญาณไม่ถูกล็อก ความเข้มโฟกัสจะสูงถึง 9×1025 W/cm2 หากเฟสพัลส์แต่ละเฟสถูกล็อกและซิงโครไนซ์ ความเข้มแสงผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.2×1026 W/cm2 นอกจากห้องเป้าหมายหลักแล้ว โครงการ XCELS ยังมีห้องปฏิบัติการผู้ใช้มากถึง 10 แห่ง ซึ่งแต่ละแห่งจะได้รับลำแสงอย่างน้อยหนึ่งลำสำหรับการทดลอง โดยใช้สนามแสงที่มีความเข้มสูงนี้ โครงการ XCELS วางแผนที่จะดำเนินการทดลองในสี่หมวดหมู่ ได้แก่ กระบวนการอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมในสนามเลเซอร์ความเข้มสูง การผลิตและการเร่งความเร็วของอนุภาค การสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุติยภูมิ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการ กระบวนการความหนาแน่นพลังงานสูง และการวิจัยวินิจฉัย
รูปที่ 2 เรขาคณิตของการโฟกัสในห้องเป้าหมายหลัก เพื่อความชัดเจน กระจกพาราโบลาของลำแสง 6 ถูกตั้งค่าเป็นแบบโปร่งใส และลำแสงขาเข้าและขาออกจะแสดงเพียงสองช่องคือ 1 และ 7
รูปที่ 3 แสดงผังพื้นที่ของแต่ละพื้นที่ใช้งานของระบบเลเซอร์ XCELS ในอาคารทดลอง ไฟฟ้า ปั๊มสุญญากาศ การบำบัดน้ำ การทำให้บริสุทธิ์ และเครื่องปรับอากาศ ตั้งอยู่ในชั้นใต้ดิน พื้นที่ก่อสร้างรวมกว่า 24,000 ตารางเมตร ใช้พลังงานรวมประมาณ 7.5 เมกะวัตต์ อาคารทดลองประกอบด้วยโครงสร้างกลวงภายในและส่วนภายนอก แต่ละส่วนสร้างบนฐานรากที่แยกอิสระสองฐาน ระบบสุญญากาศและระบบเหนี่ยวนำการสั่นสะเทือนอื่นๆ ติดตั้งอยู่บนฐานรากที่แยกการสั่นสะเทือน เพื่อลดแอมพลิจูดของสัญญาณรบกวนที่ส่งผ่านฐานรากและส่วนรองรับไปยังระบบเลเซอร์ให้เหลือน้อยกว่า 10-10 g2/Hz ในช่วงความถี่ 1-200 Hz นอกจากนี้ ยังมีการติดตั้งเครือข่ายเครื่องหมายอ้างอิงแบบจีโอเดสิกในห้องโถงเลเซอร์เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของพื้นดินและอุปกรณ์อย่างเป็นระบบ
โครงการ XCELS มีเป้าหมายที่จะสร้างศูนย์วิจัยทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่ใช้เลเซอร์กำลังสูงสุดที่สูงมาก ช่องสัญญาณหนึ่งของระบบเลเซอร์ XCELS สามารถให้ความเข้มแสงที่โฟกัสได้สูงกว่า 1024 วัตต์/ตารางเซนติเมตรหลายเท่า ซึ่งสามารถให้ความเข้มแสงที่โฟกัสได้สูงกว่า 1025 วัตต์/ตารางเซนติเมตรด้วยเทคโนโลยีหลังการบีบอัด ด้วยพัลส์โฟกัสไดโพลจาก 12 ช่องสัญญาณในระบบเลเซอร์ ทำให้สามารถบรรลุความเข้มแสงที่ใกล้เคียง 1026 วัตต์/ตารางเซนติเมตรได้ แม้จะไม่มีการบีบอัดหลังการบีบอัดและการล็อกเฟส หากล็อกเฟสระหว่างช่องสัญญาณ ความเข้มแสงจะสูงขึ้นหลายเท่า ด้วยการใช้ความเข้มของพัลส์ที่ทำลายสถิตินี้และการจัดวางลำแสงแบบหลายช่องสัญญาณ ศูนย์ XCELS ในอนาคตจะสามารถทำการทดลองที่มีการกระจายสนามแสงที่ซับซ้อนและมีความเข้มสูงเป็นพิเศษ และวินิจฉัยปฏิกิริยาโดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบหลายช่องสัญญาณและการแผ่รังสีทุติยภูมิ ซึ่งจะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในสาขาฟิสิกส์ทดลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากำลังสูง
เวลาโพสต์: 26 มี.ค. 2567