Yn ddiweddar, cyflwynodd Sefydliad Ffiseg Gymhwysol Academi Gwyddorau Rwsia Ganolfan eXawatt ar gyfer Astudiaeth Golau Eithafol (XCELS), rhaglen ymchwil ar gyfer dyfeisiau gwyddonol mawr yn seiliedig ar rai hynod o...laserau pŵer uchelMae'r prosiect yn cynnwys adeiladulaser pŵer uchelyn seiliedig ar dechnoleg ymhelaethu pwls sibrwd parametrig optegol mewn crisialau ffosffad potasiwm didewteriwm agorfa fawr (DKDP, fformiwla gemegol KD2PO4), gyda chyfanswm allbwn disgwyliedig o 600 o bwls pŵer brig PW. Mae'r gwaith hwn yn darparu manylion pwysig a chanfyddiadau ymchwil am brosiect XCELS a'i systemau laser, gan ddisgrifio cymwysiadau ac effeithiau posibl sy'n gysylltiedig â rhyngweithiadau maes golau uwch-gryf.
Cynigiwyd y rhaglen XCELS yn 2011 gyda'r nod cychwynnol o gyflawni pŵer briglaserallbwn pwls o 200 PW, sydd wedi'i uwchraddio i 600 PW ar hyn o bryd. Eisystem laseryn dibynnu ar dair technoleg allweddol:
(1) Defnyddir technoleg Mwyhadur Pwls Siarpedig Parametrig Optegol (OPCPA) yn lle technoleg Mwyhadur Pwls Siarpedig traddodiadol (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) Gan ddefnyddio DKDP fel y cyfrwng ennill, gwireddir paru cyfnod band eang uwch ger tonfedd 910 nm;
(3) Defnyddir laser gwydr neodymiwm agorfa fawr gydag egni pwls o filoedd o joules i bwmpio mwyhadur parametrig.
Mae paru cyfnod band eang iawn i'w gael yn eang mewn llawer o grisialau ac fe'i defnyddir mewn laserau femtosecond OPCPA. Defnyddir crisialau DKDP oherwydd mai nhw yw'r unig ddeunydd a geir yn ymarferol y gellir ei dyfu i ddegau o gentimetrau o agorfa ac ar yr un pryd sydd â rhinweddau optegol derbyniol i gefnogi ymhelaethu pŵer aml-PW.laserauCanfuwyd, pan gaiff y grisial DKDP ei bwmpio gan olau amledd dwbl y laser gwydr ND, os yw tonfedd cludwr y pwls wedi'i fwyhau yn 910 nm, bod tri therm cyntaf ehangu Taylor anghydweddiad y fector tonnau yn 0.
Mae Ffigur 1 yn gynllun sgematig o system laser XCELS. Cynhyrchodd y pen blaen bylsiau femtosecond wedi'u sibrwd gyda thonfedd ganolog o 910 nm (1.3 yn Ffigur 1) a bylsiau nano-eiliad 1054 nm wedi'u chwistrellu i'r laser pwmpio OPCPA (1.1 ac 1.2 yn Ffigur 1). Mae'r pen blaen hefyd yn sicrhau cydamseriad y bylsiau hyn yn ogystal â'r egni a'r paramedrau gofod-amserol gofynnol. Mae OPCPA canolradd sy'n gweithredu ar gyfradd ailadrodd uwch (1 Hz) yn mwyhau'r byls wedi'i sibrwd i ddegau o joules (2 yn Ffigur 1). Caiff y byls ei fwyhau ymhellach gan yr OPCPA Atgyfnerthu i un trawst cilojoule a'i rannu'n 12 is-drawst union yr un fath (4 yn Ffigur 1). Yn y 12 OPCPA olaf, caiff pob un o'r 12 byls golau wedi'u sibrwd ei fwyhau i'r lefel cilojoule (5 yn Ffigur 1) ac yna ei gywasgu gan 12 grat cywasgu (GC o 6 yn Ffigur 1). Defnyddir yr hidlydd gwasgariad rhaglenadwy acwsto-optig yn y pen blaen i reoli gwasgariad cyflymder grŵp a gwasgariad trefn uchel yn fanwl gywir, er mwyn cael y lled pwls lleiaf posibl. Mae gan y sbectrwm pwls siâp bron yn uwchgaws trefn 12fed, ac mae'r lled band sbectrol ar 1% o'r gwerth uchaf yn 150 nm, sy'n cyfateb i led pwls terfyn trawsnewid Fourier o 17 fs. O ystyried yr iawndal gwasgariad anghyflawn ac anhawster iawndal cyfnod anlinellol mewn mwyhaduron parametrig, y lled pwls disgwyliedig yw 20 fs.
Bydd y laser XCELS yn defnyddio dau fodiwl dyblu amledd laser gwydr neodymiwm UFL-2M 8 sianel (3 yn Ffigur 1), y bydd 13 sianel ohonynt yn cael eu defnyddio i bwmpio'r OPCPA Booster a 12 OPCPA terfynol. Bydd y tair sianel sy'n weddill yn cael eu defnyddio fel pwlsiadau cilojoule nanoeiliad annibynnol.ffynonellau laserar gyfer arbrofion eraill. Wedi'i gyfyngu gan drothwy chwalfa optegol crisialau DKDP, mae dwyster arbelydru'r pwls pwmpio wedi'i osodi i 1.5 GW/cm2 ar gyfer pob sianel a'r hyd yw 3.5 ns.
Mae pob sianel o'r laser XCELS yn cynhyrchu pylsau gyda phŵer o 50 PW. Mae cyfanswm o 12 sianel yn darparu cyfanswm pŵer allbwn o 600 PW. Yn y prif siambr darged, dwyster ffocysu uchaf pob sianel o dan amodau delfrydol yw 0.44 × 1025 W/cm2, gan dybio bod elfennau ffocysu F/1 yn cael eu defnyddio ar gyfer ffocysu. Os caiff pwls pob sianel ei gywasgu ymhellach i 2.6 fs trwy dechneg ôl-gywasgu, bydd pŵer pwls allbwn cyfatebol yn cynyddu i 230 PW, sy'n cyfateb i ddwyster golau o 2.0 × 1025 W/cm2.
Er mwyn cyflawni dwyster golau mwy, ar allbwn o 600 PW, bydd y pylsau golau yn y 12 sianel yn cael eu ffocysu yng ngeometreg ymbelydredd dipol gwrthdro, fel y dangosir yn Ffigur 2. Pan nad yw'r cyfnod pwls ym mhob sianel wedi'i gloi, gall y dwyster ffocws gyrraedd 9 × 1025 W/cm2. Os yw pob cyfnod pwls wedi'i gloi a'i gydamseru, bydd y dwyster golau cydlynol canlyniadol yn cynyddu i 3.2 × 1026 W/cm2. Yn ogystal â'r prif ystafell darged, mae prosiect XCELS yn cynnwys hyd at 10 labordy defnyddwyr, pob un yn derbyn un neu fwy o drawstiau ar gyfer arbrofion. Gan ddefnyddio'r maes golau hynod gryf hwn, mae prosiect XCELS yn bwriadu cynnal arbrofion mewn pedwar categori: prosesau electrodynameg cwantwm mewn meysydd laser dwys; Cynhyrchu a chyflymu gronynnau; Cynhyrchu ymbelydredd electromagnetig eilaidd; Astroffiseg labordy, prosesau dwysedd ynni uchel ac ymchwil diagnostig.
FFIG. 2 Geometreg ffocysu yn y prif siambr darged. Er mwyn eglurder, mae drych parabolig trawst 6 wedi'i osod yn dryloyw, ac mae'r trawstiau mewnbwn ac allbwn yn dangos dwy sianel yn unig 1 a 7
Mae Ffigur 3 yn dangos cynllun gofodol pob ardal swyddogaethol o system laser XCELS yn yr adeilad arbrofol. Mae trydan, pympiau gwactod, trin dŵr, puro ac aerdymheru wedi'u lleoli yn yr islawr. Mae cyfanswm yr arwynebedd adeiladu yn fwy na 24,000 m2. Cyfanswm y defnydd pŵer yw tua 7.5 MW. Mae'r adeilad arbrofol yn cynnwys ffrâm wag fewnol ac adran allanol, pob un wedi'i hadeiladu ar ddau sylfaen wedi'u datgysylltu. Mae'r systemau gwactod a systemau eraill sy'n achosi dirgryniad wedi'u gosod ar y sylfaen sydd wedi'i hynysu rhag dirgryniad, fel bod osgled yr aflonyddwch a drosglwyddir i'r system laser trwy'r sylfaen a'r gefnogaeth yn cael ei leihau i lai na 10-10 g2/Hz yn yr ystod amledd o 1-200 Hz. Yn ogystal, mae rhwydwaith o farcwyr cyfeirio geodesig wedi'i sefydlu yn neuadd y laser i fonitro drifft y ddaear a'r offer yn systematig.
Nod prosiect XCELS yw creu cyfleuster ymchwil wyddonol mawr yn seiliedig ar laserau pŵer brig eithriadol o uchel. Gall un sianel o system laser XCELS ddarparu dwyster golau wedi'i ffocysu sawl gwaith yn uwch na 1024 W/cm2, y gellir ei ragori ymhellach gan 1025 W/cm2 gyda thechnoleg ôl-gywasgu. Trwy ganolbwyntio pylsau deupol o 12 sianel yn y system laser, gellir cyflawni dwyster yn agos at 1026 W/cm2 hyd yn oed heb ôl-gywasgu a chloi cyfnod. Os yw'r cydamseriad cyfnod rhwng sianeli wedi'i gloi, bydd dwyster y golau sawl gwaith yn uwch. Gan ddefnyddio'r dwysterau pyls hyn sy'n torri record a'r cynllun trawst aml-sianel, bydd cyfleuster XCELS y dyfodol yn gallu cynnal arbrofion gyda dosraniadau maes golau cymhleth, dwyster eithriadol o uchel, a diagnosio rhyngweithiadau gan ddefnyddio trawstiau laser aml-sianel ac ymbelydredd eilaidd. Bydd hyn yn chwarae rhan unigryw ym maes ffiseg arbrofol maes electromagnetig cryf iawn.
Amser postio: Mawrth-26-2024