เมื่อไม่นานนี้ สถาบันฟิสิกส์ประยุกต์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์รัสเซียได้เปิดตัว eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยสำหรับอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีพิเศษเลเซอร์กำลังสูง. โครงการนี้รวมถึงการก่อสร้างอาคารเลเซอร์กำลังสูงโดยอาศัยเทคโนโลยีการขยายพัลส์แบบพาราเมตริกออปติคัลในผลึกโพแทสเซียมไดดิวเทอเรียมฟอสเฟตที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ (DKDP สูตรเคมี KD2PO4) ซึ่งคาดว่าจะมีพัลส์กำลังสูงสุดรวม 600 PW งานนี้ให้รายละเอียดที่สำคัญและผลการวิจัยเกี่ยวกับโครงการ XCELS และระบบเลเซอร์ของโครงการ โดยอธิบายถึงการใช้งานและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของสนามแสงที่มีความเข้มสูงเป็นพิเศษ
โปรแกรม XCELS ได้รับการเสนอในปี 2011 โดยมีเป้าหมายเบื้องต้นเพื่อบรรลุพลังงานสูงสุดเลเซอร์เอาต์พุตพัลส์ 200 PW ซึ่งปัจจุบันอัปเกรดเป็น 600 PWระบบเลเซอร์อาศัยเทคโนโลยีหลัก 3 ประการ:
(1) เทคโนโลยี Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) นำมาใช้แทนเทคโนโลยี Chirped Pulse Amplification แบบดั้งเดิม (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) เทคโนโลยี CPA
(2) การใช้ DKDP เป็นตัวกลางเกน การจับคู่เฟสแบนด์กว้างพิเศษจะเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นใกล้ 910 นาโนเมตร
(3) เลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมรูรับแสงขนาดใหญ่ที่มีพลังงานพัลส์หลายพันจูลใช้ในการปั๊มเครื่องขยายสัญญาณพารามิเตอร์
การจับคู่เฟสแบนด์วิดท์กว้างพิเศษพบได้ทั่วไปในคริสตัลหลายชนิดและใช้ในเลเซอร์เฟมโตวินาที OPCPA คริสตัล DKDP ถูกนำมาใช้เนื่องจากเป็นวัสดุชนิดเดียวที่พบได้ในทางปฏิบัติซึ่งสามารถปลูกได้จนถึงขนาดรูรับแสงหลายสิบเซนติเมตร และในขณะเดียวกันก็มีคุณภาพทางแสงที่ยอมรับได้เพื่อรองรับการขยายกำลังไฟฟ้าหลาย PWเลเซอร์พบว่าเมื่อคริสตัล DKDP ถูกปั๊มโดยแสงความถี่คู่ของเลเซอร์แก้ว ND หากความยาวคลื่นพาหะของพัลส์ที่ขยายคือ 910 นาโนเมตร สามเทอมแรกของการขยายเทย์เลอร์ของความไม่ตรงกันของเวกเตอร์คลื่นจะเป็น 0
รูปที่ 1 เป็นโครงร่างของระบบเลเซอร์ XCELS ส่วนหน้าสร้างพัลส์เฟมโตวินาทีที่ส่งเสียงแหลมด้วยความยาวคลื่นกลาง 910 นาโนเมตร (1.3 ในรูปที่ 1) และพัลส์นาโนวินาที 1,054 นาโนเมตรที่ฉีดเข้าไปในเลเซอร์ที่ปั๊มโดย OPCPA (1.1 และ 1.2 ในรูปที่ 1) ส่วนหน้ายังช่วยให้แน่ใจว่าพัลส์เหล่านี้มีการซิงโครไนซ์กัน รวมถึงพลังงานและพารามิเตอร์เชิงปริภูมิและเวลาที่จำเป็น OPCPA ตัวกลางที่ทำงานด้วยอัตราการทำซ้ำที่สูงกว่า (1 เฮิรตซ์) จะขยายพัลส์ที่ส่งเสียงแหลมเป็นสิบจูล (2 ในรูปที่ 1) พัลส์จะถูกขยายเพิ่มเติมโดย Booster OPCPA เป็นลำแสงกิโลจูลเดียวและแบ่งออกเป็นลำแสงย่อยที่เหมือนกัน 12 ลำ (4 ลำในรูปที่ 1) ใน OPCPA 12 ชุดสุดท้าย พัลส์แสงที่ส่งเสียงแหลม 12 พัลส์จะถูกขยายให้ถึงระดับกิโลจูล (5 ในรูปที่ 1) จากนั้นจึงบีบอัดด้วยกริดการบีบอัด 12 ช่อง (GC ของ 6 ในรูปที่ 1) ฟิลเตอร์กระจายแสงแบบตั้งโปรแกรมได้แบบอะคูสติกออปติกถูกใช้ในส่วนหน้าเพื่อควบคุมการกระจายความเร็วแบบกลุ่มและการกระจายแบบลำดับสูงอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้ความกว้างของพัลส์ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สเปกตรัมพัลส์มีรูปร่างเกือบเป็นซูเปอร์เกาส์ลำดับที่ 12 และแบนด์วิดท์สเปกตรัมที่ 1% ของค่าสูงสุดคือ 150 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับความกว้างของพัลส์ขีดจำกัดการแปลงฟูเรียร์ที่ 17 fs เมื่อพิจารณาการชดเชยการกระจายที่ไม่สมบูรณ์และความยากลำบากในการชดเชยเฟสแบบไม่เชิงเส้นในแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์ ความกว้างของพัลส์ที่คาดหวังคือ 20 fs
เลเซอร์ XCELS จะใช้โมดูลเพิ่มความถี่เลเซอร์กระจกนีโอไดเมียม UFL-2M 8 ช่องสัญญาณจำนวน 2 โมดูล (3 โมดูลในรูปที่ 1) โดย 13 ช่องสัญญาณจะใช้เพื่อปั๊ม Booster OPCPA และ 12 OPCPA สุดท้าย ช่องสัญญาณที่เหลืออีก 3 ช่องสัญญาณจะใช้เป็นพัลส์กิโลจูลนาโนวินาทีอิสระแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการทดลองอื่นๆ ถูกจำกัดด้วยเกณฑ์การสลายแสงของผลึก DKDP ความเข้มของการฉายรังสีของพัลส์ที่สูบจะถูกตั้งเป็น 1.5 GW/cm2 สำหรับแต่ละช่อง และระยะเวลาคือ 3.5 นาโนวินาที
แต่ละช่องของเลเซอร์ XCELS จะผลิตพัลส์ที่มีกำลัง 50 PW โดยทั้งหมด 12 ช่องจะให้กำลังส่งออกรวม 600 PW ในห้องเป้าหมายหลัก ความเข้มการโฟกัสสูงสุดของแต่ละช่องภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมคือ 0.44×1025 W/cm2 โดยถือว่าใช้องค์ประกอบโฟกัส F/1 สำหรับการโฟกัส หากใช้เทคนิคหลังการบีบอัดพัลส์ของแต่ละช่องให้บีบอัดเพิ่มเติมเป็น 2.6 fs พลังงานพัลส์ส่งออกที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 230 PW ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มของแสงที่ 2.0×1025 W/cm2
เพื่อให้ได้ความเข้มของแสงที่มากขึ้น เมื่อเอาต์พุต 600 PW พัลส์แสงใน 12 ช่องสัญญาณจะถูกโฟกัสในรูปทรงเรขาคณิตของรังสีไดโพลผกผัน ดังที่แสดงในรูปที่ 2 เมื่อเฟสของพัลส์ในแต่ละช่องสัญญาณไม่ถูกล็อก ความเข้มของโฟกัสจะสามารถเข้าถึง 9×1025 W/cm2 หากเฟสของพัลส์แต่ละเฟสถูกล็อกและซิงโครไนซ์ ความเข้มของแสงผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.2×1026 W/cm2 นอกจากห้องเป้าหมายหลักแล้ว โครงการ XCELS ยังรวมถึงห้องปฏิบัติการผู้ใช้สูงสุด 10 ห้อง ซึ่งแต่ละห้องจะได้รับลำแสงหนึ่งลำหรือมากกว่าสำหรับการทดลอง โดยใช้สนามแสงที่มีความเข้มสูงนี้ โครงการ XCELS วางแผนที่จะทำการทดลองในสี่หมวดหมู่ ได้แก่ กระบวนการอิเล็กโทรไดนามิกควอนตัมในสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นสูง การผลิตและการเร่งความเร็วของอนุภาค การสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุติยภูมิ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการ กระบวนการที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง และการวิจัยการวินิจฉัย
รูปที่ 2 เรขาคณิตของการโฟกัสในห้องเป้าหมายหลัก เพื่อความชัดเจน กระจกพาราโบลาของลำแสง 6 ถูกตั้งให้โปร่งใส และลำแสงอินพุตและเอาต์พุตจะแสดงเฉพาะช่อง 1 และ 7 สองช่องเท่านั้น
รูปที่ 3 แสดงเค้าโครงเชิงพื้นที่ของแต่ละพื้นที่ใช้งานของระบบเลเซอร์ XCELS ในอาคารทดลอง ไฟฟ้า ปั๊มสุญญากาศ การบำบัดน้ำ การฟอกอากาศ และเครื่องปรับอากาศตั้งอยู่ในชั้นใต้ดิน พื้นที่ก่อสร้างทั้งหมดมากกว่า 24,000 ตารางเมตร การใช้พลังงานทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 7.5 เมกะวัตต์ อาคารทดลองประกอบด้วยโครงกลวงภายในและส่วนภายนอก ซึ่งแต่ละส่วนสร้างขึ้นบนฐานรากที่แยกออกจากกันสองฐาน ระบบสุญญากาศและระบบเหนี่ยวนำการสั่นสะเทือนอื่นๆ ติดตั้งอยู่บนฐานรากที่แยกการสั่นสะเทือน ดังนั้นแอมพลิจูดของการรบกวนที่ส่งไปยังระบบเลเซอร์ผ่านฐานรากและตัวรองรับจึงลดลงเหลือต่ำกว่า 10-10 g2/Hz ในช่วงความถี่ 1-200 Hz นอกจากนี้ ยังมีการติดตั้งเครือข่ายเครื่องหมายอ้างอิงจีโอเดสิกในห้องโถงเลเซอร์เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของพื้นดินและอุปกรณ์อย่างเป็นระบบ
โครงการ XCELS มีเป้าหมายเพื่อสร้างศูนย์วิจัยทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่ใช้เลเซอร์กำลังสูงสุดที่สูงมาก ช่องสัญญาณหนึ่งของระบบเลเซอร์ XCELS อาจให้ความเข้มของแสงที่โฟกัสได้สูงกว่า 1024 W/cm2 หลายเท่า ซึ่งสามารถเกินได้อีก 1025 W/cm2 ด้วยเทคโนโลยีหลังการบีบอัด ด้วยพัลส์โฟกัสไดโพลจาก 12 ช่องสัญญาณในระบบเลเซอร์ จึงสามารถบรรลุความเข้มที่ใกล้เคียง 1026 W/cm2 ได้แม้จะไม่มีการบีบอัดหลังการบีบอัดและการล็อกเฟสก็ตาม หากล็อกการซิงโครไนซ์เฟสระหว่างช่องสัญญาณแล้ว ความเข้มของแสงจะสูงขึ้นหลายเท่า ด้วยการใช้ความเข้มของพัลส์ที่ทำลายสถิติเหล่านี้และการจัดวางลำแสงหลายช่องสัญญาณ ศูนย์วิจัย XCELS ในอนาคตจะสามารถทำการทดลองด้วยการกระจายสนามแสงที่ซับซ้อนและมีความเข้มสูงมาก และวินิจฉัยปฏิสัมพันธ์โดยใช้ลำแสงเลเซอร์หลายช่องสัญญาณและการแผ่รังสีทุติยภูมิ ซึ่งจะมีบทบาทพิเศษในสาขาฟิสิกส์ทดลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังสูงเป็นพิเศษ
เวลาโพสต์ : 26 มี.ค. 2567