เมื่อไม่นานมานี้ สถาบันฟิสิกส์ประยุกต์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์รัสเซียได้เปิดตัวศูนย์วิจัยแสงสุดขั้ว eXawatt (XCELS) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีแสงสุดขั้วเลเซอร์กำลังสูงโครงการนี้รวมถึงการก่อสร้างสิ่งก่อสร้างขนาดใหญ่มากเลเซอร์กำลังสูงโดยอาศัยเทคโนโลยีการขยายพัลส์แบบชิปเชิงพาราเมตริกเชิงแสงในผลึกโพแทสเซียมไดดิวเทอเรียมฟอสเฟต (DKDP สูตรเคมี KD2PO4) ที่มีขนาดรูรับแสงขนาดใหญ่ โดยคาดว่าจะให้กำลังเอาต์พุตสูงสุด 600 เพตาวัตต์ต่อพัลส์ งานวิจัยนี้ให้รายละเอียดและผลการวิจัยที่สำคัญเกี่ยวกับโครงการ XCELS และระบบเลเซอร์ โดยอธิบายถึงการใช้งานและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ของสนามแสงที่มีความเข้มสูงมาก
โครงการ XCELS ได้รับการเสนอขึ้นในปี 2011 โดยมีเป้าหมายเริ่มต้นคือการบรรลุพลังงานสูงสุดเลเซอร์กำลังส่งพัลส์ 200 เพตาวัตต์ ซึ่งได้รับการอัพเกรดเป็น 600 เพตาวัตต์แล้วในปัจจุบันระบบเลเซอร์อาศัยเทคโนโลยีหลักสามอย่าง:
(1) เทคโนโลยีการขยายพัลส์แบบชิปเชิงพาราเมตริกเชิงแสง (OPCPA) ถูกนำมาใช้แทนเทคโนโลยีการขยายพัลส์แบบชิปแบบดั้งเดิม (การขยายพัลส์แบบชิป, OPCPA)
(2) การใช้ DKDP เป็นตัวกลางขยายสัญญาณ การจับคู่เฟสอัลตร้าไวด์แบนด์จะเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นใกล้ 910 นาโนเมตร
(3) เลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่และมีพลังงานพัลส์หลายพันจูลถูกใช้เพื่อปั๊มเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริก
การจับคู่เฟสแบบอัลตร้าไวด์แบนด์พบได้ในผลึกหลายชนิดและใช้ในเลเซอร์เฟมโตวินาทีแบบ OPCPA ผลึก DKDP ถูกนำมาใช้เนื่องจากเป็นวัสดุเพียงชนิดเดียวที่พบได้ในทางปฏิบัติที่สามารถปลูกให้มีขนาดรูรับแสงหลายสิบเซนติเมตรได้ และในขณะเดียวกันก็มีคุณสมบัติทางแสงที่ยอมรับได้เพื่อรองรับการขยายกำลังหลายเพตาวัตต์เลเซอร์พบว่าเมื่อผลึก DKDP ถูกกระตุ้นด้วยแสงความถี่คู่จากเลเซอร์แก้ว ND หากความยาวคลื่นพาหะของพัลส์ที่ขยายแล้วคือ 910 นาโนเมตร สามพจน์แรกของการกระจายอนุกรมเทย์เลอร์ของความไม่ตรงกันของเวกเตอร์คลื่นจะมีค่าเป็น 0
ภาพที่ 1 แสดงแผนผังระบบเลเซอร์ XCELS ส่วนหน้าของระบบสร้างพัลส์เฟมโตวินาทีแบบชิปที่มีความยาวคลื่นกลาง 910 นาโนเมตร (1.3 ในภาพที่ 1) และพัลส์นาโนวินาที 1054 นาโนเมตร ซึ่งถูกฉีดเข้าไปในเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นด้วย OPCPA (1.1 และ 1.2 ในภาพที่ 1) ส่วนหน้าของระบบยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าพัลส์เหล่านี้จะซิงโครไนซ์กัน รวมถึงพารามิเตอร์ด้านพลังงานและเวลาและพื้นที่ที่ต้องการด้วย OPCPA ตัวกลางที่ทำงานด้วยอัตราการทำซ้ำที่สูงกว่า (1 เฮิรตซ์) จะขยายพัลส์แบบชิปให้มีพลังงานหลายสิบจูล (2 ในภาพที่ 1) จากนั้นพัลส์จะถูกขยายเพิ่มเติมโดย Booster OPCPA ให้เป็นลำแสงขนาดกิโลจูล และแบ่งออกเป็น 12 ลำแสงย่อยที่เหมือนกัน (4 ในภาพที่ 1) ใน OPCPA 12 ตัวสุดท้าย พัลส์แสงแบบชิปปิ้งทั้ง 12 พัลส์จะถูกขยายให้มีพลังงานระดับกิโลจูล (5 ในรูปที่ 1) จากนั้นถูกบีบอัดด้วยตะแกรงบีบอัด 12 ตัว (GC ของ 6 ในรูปที่ 1) ตัวกรองการกระจายตัวแบบโปรแกรมได้ด้วยคลื่นเสียง (acousto-optic programmable dispersion filter) ถูกใช้ในส่วนหน้าเพื่อควบคุมการกระจายตัวของความเร็วกลุ่มและการกระจายตัวลำดับสูงอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้ความกว้างของพัลส์ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สเปกตรัมของพัลส์มีรูปร่างเกือบเหมือนซูเปอร์เกาส์ลำดับที่ 12 และแบนด์วิดท์สเปกตรัมที่ 1% ของค่าสูงสุดคือ 150 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับความกว้างของพัลส์ที่จำกัดโดยการแปลงฟูริเยร์ที่ 17 เฟมโตวินาที เมื่อพิจารณาถึงการชดเชยการกระจายตัวที่ไม่สมบูรณ์และความยากลำบากในการชดเชยเฟสแบบไม่เชิงเส้นในเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริก ความกว้างของพัลส์ที่คาดหวังคือ 20 เฟมโตวินาที
เลเซอร์ XCELS จะใช้โมดูลเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียม UFL-2M แบบ 8 ช่องสัญญาณจำนวน 2 โมดูล (หมายเลข 3 ในรูปที่ 1) โดย 13 ช่องสัญญาณจะใช้สำหรับปั๊ม Booster OPCPA และ 12 ช่องสัญญาณสำหรับ OPCPA สุดท้าย ส่วนอีก 3 ช่องสัญญาณที่เหลือจะใช้เป็นพัลส์กิโลจูลระดับนาโนวินาทีแบบอิสระแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับการทดลองอื่นๆ ภายใต้ข้อจำกัดของเกณฑ์การแตกตัวทางแสงของผลึก DKDP ความเข้มของการฉายรังสีของพัลส์กระตุ้นจึงถูกตั้งไว้ที่ 1.5 GW/cm2 สำหรับแต่ละช่องสัญญาณ และระยะเวลาคือ 3.5 ns
แต่ละช่องของเลเซอร์ XCELS สร้างพัลส์ที่มีกำลัง 50 PW รวมทั้งหมด 12 ช่อง ให้กำลังเอาต์พุตทั้งหมด 600 PW ในห้องเป้าหมายหลัก ความเข้มของการโฟกัสสูงสุดของแต่ละช่องภายใต้สภาวะที่เหมาะสมคือ 0.44×10²⁵ W/cm² โดยสมมติว่าใช้ตัวโฟกัส F/1 หากพัลส์ของแต่ละช่องถูกบีบอัดเพิ่มเติมให้เหลือ 2.6 fs โดยใช้เทคนิคการบีบอัดภายหลัง กำลังของพัลส์เอาต์พุตที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 230 PW ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มของแสง 2.0×10²⁵ W/cm²
เพื่อให้ได้ความเข้มแสงที่สูงขึ้น ที่กำลังส่งออก 600 PW พัลส์แสงใน 12 ช่องจะถูกโฟกัสในรูปทรงเรขาคณิตของการแผ่รังสีไดโพลผกผัน ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อเฟสของพัลส์ในแต่ละช่องไม่ถูกล็อก ความเข้มของการโฟกัสสามารถสูงถึง 9×10²⁵ W/cm² หากเฟสของพัลส์แต่ละเฟสถูกล็อกและซิงโครไนซ์ ความเข้มของแสงลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.2×10²⁶ W/cm² นอกจากห้องเป้าหมายหลักแล้ว โครงการ XCELS ยังรวมถึงห้องปฏิบัติการของผู้ใช้มากถึง 10 ห้อง โดยแต่ละห้องจะได้รับลำแสงหนึ่งลำหรือมากกว่านั้นสำหรับการทดลอง ด้วยสนามแสงที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งนี้ โครงการ XCELS วางแผนที่จะดำเนินการทดลองในสี่ประเภท ได้แก่ กระบวนการควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ในสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง การผลิตและการเร่งอนุภาค การสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุติยภูมิ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการ กระบวนการความหนาแน่นพลังงานสูง และการวิจัยด้านการวินิจฉัย
รูปที่ 2 เรขาคณิตการโฟกัสในห้องเป้าหมายหลัก เพื่อความชัดเจน กระจกพาราโบลาของลำแสงที่ 6 ถูกตั้งค่าให้โปร่งใส และลำแสงขาเข้าและขาออกแสดงเฉพาะสองช่องสัญญาณ 1 และ 7 เท่านั้น
รูปที่ 3 แสดงผังพื้นที่ใช้งานแต่ละส่วนของระบบเลเซอร์ XCELS ในอาคารทดลอง ระบบไฟฟ้า ปั๊มสุญญากาศ ระบบบำบัดน้ำ การกรองน้ำ และเครื่องปรับอากาศ ตั้งอยู่ในชั้นใต้ดิน พื้นที่ก่อสร้างทั้งหมดมากกว่า 24,000 ตารางเมตร กำลังไฟฟ้ารวมประมาณ 7.5 เมกะวัตต์ อาคารทดลองประกอบด้วยโครงสร้างกลวงภายในและส่วนภายนอก โดยแต่ละส่วนสร้างอยู่บนฐานรากแยกอิสระสองฐาน ระบบสุญญากาศและระบบอื่นๆ ที่ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนติดตั้งอยู่บนฐานรากที่แยกการสั่นสะเทือน เพื่อลดขนาดของการรบกวนที่ส่งไปยังระบบเลเซอร์ผ่านฐานรากและส่วนรองรับให้น้อยกว่า 10⁻¹⁰ g²/Hz ในช่วงความถี่ 1-200 Hz นอกจากนี้ ยังมีการติดตั้งเครือข่ายเครื่องหมายอ้างอิงทางธรณีวิทยาในห้องเลเซอร์เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนตัวของพื้นดินและอุปกรณ์อย่างเป็นระบบ
โครงการ XCELS มีเป้าหมายที่จะสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่โดยใช้เลเซอร์ที่มีกำลังสูงสุดสูงมาก ช่องสัญญาณหนึ่งของระบบเลเซอร์ XCELS สามารถให้ความเข้มแสงที่โฟกัสได้สูงกว่า 10²⁴ W/cm² หลายเท่า และสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกเป็น 10²⁵ W/cm² ด้วยเทคโนโลยีการบีบอัดภายหลัง โดยการโฟกัสพัลส์แบบไดโพลจาก 12 ช่องสัญญาณในระบบเลเซอร์ จะสามารถบรรลุความเข้มใกล้เคียง 10²⁶ W/cm² ได้แม้ไม่มีการบีบอัดภายหลังและการล็อกเฟส หากการซิงโครไนซ์เฟสระหว่างช่องสัญญาณถูกล็อก ความเข้มแสงจะสูงขึ้นหลายเท่า ด้วยความเข้มพัลส์ที่ทำลายสถิติเหล่านี้และรูปแบบลำแสงหลายช่องสัญญาณ สิ่งอำนวยความสะดวก XCELS ในอนาคตจะสามารถทำการทดลองที่มีความเข้มสูงมาก การกระจายสนามแสงที่ซับซ้อน และวินิจฉัยปฏิสัมพันธ์โดยใช้ลำแสงเลเซอร์หลายช่องสัญญาณและรังสีทุติยภูมิ สิ่งนี้จะมีบทบาทที่โดดเด่นในสาขาฟิสิกส์เชิงทดลองของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มสูงมาก
วันที่โพสต์: 26 มีนาคม 2024