अलीकडेच, रशियन विज्ञान अकादमीच्या उपयोजित भौतिकशास्त्र संस्थेने, अत्यंत तेजस्वी प्रकाशावर आधारित मोठ्या वैज्ञानिक उपकरणांसाठीचा एक संशोधन कार्यक्रम, 'एक्सावॅट सेंटर फॉर एक्स्ट्रीम लाईट स्टडी (XCELS)' सादर केला आहे.उच्च शक्तीचे लेझरया प्रकल्पामध्ये एका अतिशयउच्च शक्तीचा लेझरमोठ्या छिद्राच्या पोटॅशियम डायड्यूटेरियम फॉस्फेट (DKDP, रासायनिक सूत्र KD2PO4) स्फटिकांमधील ऑप्टिकल पॅरामीट्रिक चिर्प्ड पल्स अॅम्प्लिफिकेशन तंत्रज्ञानावर आधारित, ज्यातून ६०० PW शिखर शक्तीच्या पल्सेसचे एकूण अपेक्षित उत्पादन मिळते. हे कार्य XCELS प्रकल्प आणि त्याच्या लेझर प्रणालींबद्दल महत्त्वपूर्ण तपशील आणि संशोधन निष्कर्ष प्रदान करते, तसेच अति-प्रबळ प्रकाश क्षेत्र आंतरक्रियांशी संबंधित अनुप्रयोग आणि संभाव्य परिणामांचे वर्णन करते.
सर्वोच्च शक्ती प्राप्त करण्याच्या प्राथमिक उद्दिष्टासह एक्ससीईएलएस (XCELS) कार्यक्रम २०११ मध्ये प्रस्तावित करण्यात आला होता.लेझर200 PW चा पल्स आउटपुट, जो सध्या 600 PW पर्यंत अपग्रेड करण्यात आला आहे.लेझर प्रणालीतीन प्रमुख तंत्रज्ञानांवर अवलंबून आहे:
(1) पारंपारिक चिर्प्ड पल्स अॅम्प्लिफिकेशन (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) तंत्रज्ञानाऐवजी ऑप्टिकल पॅरामीट्रिक चिर्प्ड पल्स अॅम्प्लिफिकेशन (OPCPA) तंत्रज्ञान वापरले जाते;
(2) DKDP चा गेन माध्यम म्हणून वापर करून, 910 nm तरंगलांबीजवळ अल्ट्रा वाइडबँड फेज मॅचिंग साध्य केले जाते;
(3) पॅरामीट्रिक अॅम्प्लिफायरला पंप करण्यासाठी हजारो जूल पल्स ऊर्जा असलेला मोठा अॅपर्चर निओडिमियम ग्लास लेसर वापरला जातो.
अल्ट्रा-वाइडबँड फेज मॅचिंग अनेक क्रिस्टल्समध्ये मोठ्या प्रमाणावर आढळते आणि त्याचा वापर OPCPA फेमटोसेकंद लेझर्समध्ये केला जातो. DKDP क्रिस्टल्स वापरले जातात कारण व्यवहारात उपलब्ध असलेल्या सामग्रीपैकी ही एकमेव अशी सामग्री आहे, जी अनेक सेंटीमीटरच्या ॲपर्चरपर्यंत वाढवता येते आणि त्याच वेळी मल्टी-पीडब्ल्यू पॉवरच्या प्रवर्धनाला आधार देण्यासाठी स्वीकारार्ह ऑप्टिकल गुणधर्म बाळगते.लेझरअसे आढळून आले आहे की जेव्हा DKDP क्रिस्टलला ND ग्लास लेसरच्या दुप्पट वारंवारतेच्या प्रकाशाने पंप केले जाते, तेव्हा जर प्रवर्धित पल्सची वाहक तरंगलांबी 910 nm असेल, तर तरंग सदिश विसंगतीच्या टेलर विस्ताराचे पहिले तीन पद 0 असतात.
आकृती १ ही एक्ससीईएलएस (XCELS) लेझर प्रणालीची एक योजनाबद्ध मांडणी आहे. फ्रंट एंडने ९१० एनएम (nm) मध्यवर्ती तरंगलांबीचे चिर्प्ड फेमटोसेकंद पल्सेस (आकृती १ मधील १.३) आणि १०५४ एनएमचे नॅनोसेकंद पल्सेस (आकृती १ मधील १.१ आणि १.२) तयार केले, जे ओपीसीपीए (OPCPA) पंप्ड लेझरमध्ये इंजेक्ट केले गेले. फ्रंट एंड या पल्सेसचे सिंक्रोनायझेशन तसेच आवश्यक ऊर्जा आणि स्पॅशियोटेम्पोरल पॅरामीटर्सची देखील खात्री करते. उच्च पुनरावृत्ती दराने (१ हर्ट्झ) कार्यरत असलेले एक इंटरमीडिएट ओपीसीपीए (OPCPA) चिर्प्ड पल्सला अनेक जूलपर्यंत प्रवर्धित करते (आकृती १ मधील २). बूस्टर ओपीसीपीएद्वारे (Booster OPCPA) पल्सला पुढे एका किलोजूल बीममध्ये प्रवर्धित केले जाते आणि १२ समान उप-बीममध्ये विभागले जाते (आकृती १ मधील ४). अंतिम १२ OPCPA मध्ये, प्रत्येक १२ चिर्प्ड प्रकाश स्पंदांना किलो जूल पातळीपर्यंत (आकृती १ मधील ५) प्रवर्धित केले जाते आणि नंतर १२ कॉम्प्रेशन ग्रेटिंग्जद्वारे (आकृती १ मधील ६ चे GC) संकुचित केले जाते. फ्रंट एंडमध्ये ग्रुप वेलोसिटी डिस्पर्शन आणि उच्च क्रम डिस्पर्शन अचूकपणे नियंत्रित करण्यासाठी अॅक्युस्टो-ऑप्टिक प्रोग्रामेबल डिस्पर्शन फिल्टर वापरला जातो, जेणेकरून शक्य तितकी लहान स्पंद रुंदी मिळवता येईल. स्पंद स्पेक्ट्रमचा आकार जवळपास १२व्या-क्रमाच्या सुपरगॉससारखा असतो आणि कमाल मूल्याच्या १% वर स्पेक्ट्रल बँडविड्थ १५० nm आहे, जी १७ fs च्या फूरियर ट्रान्सफॉर्म मर्यादेच्या स्पंद रुंदीशी जुळते. पॅरामीट्रिक अॅम्प्लिफायर्समधील अपूर्ण डिस्पर्शन भरपाई आणि नॉनलाइनर फेज भरपाईची अडचण लक्षात घेता, अपेक्षित स्पंद रुंदी २० fs आहे.
XCELS लेसरमध्ये दोन ८-चॅनल UFL-2M निओडिमियम ग्लास लेसर फ्रिक्वेन्सी डबलिंग मॉड्यूल (आकृती १ मध्ये ३) वापरले जातील, ज्यापैकी १३ चॅनल बूस्टर OPCPA ला पंप करण्यासाठी आणि १२ फायनल OPCPA ला पंप करण्यासाठी वापरले जातील. उर्वरित तीन चॅनल स्वतंत्र नॅनोसेकंद किलो जूल पल्स्ड म्हणून वापरले जातील.लेझर स्रोतइतर प्रयोगांसाठी. DKDP क्रिस्टल्सच्या ऑप्टिकल ब्रेकडाउन थ्रेशोल्डच्या मर्यादेमुळे, पंप केलेल्या पल्सची इरॅडिएशन तीव्रता प्रत्येक चॅनेलसाठी 1.5 GW/cm2 आणि कालावधी 3.5 ns इतका सेट केला आहे.
XCELS लेसरचा प्रत्येक चॅनेल ५० PW शक्तीचे पल्स निर्माण करतो. एकूण १२ चॅनेल मिळून ६०० PW ची एकूण आउटपुट शक्ती प्रदान करतात. मुख्य लक्ष्य कक्षामध्ये, आदर्श परिस्थितीत प्रत्येक चॅनेलची कमाल फोकसिंग तीव्रता ०.४४×१०²⁵ W/cm² आहे, असे गृहीत धरले आहे की फोकसिंगसाठी F/1 फोकसिंग घटक वापरले जातात. जर प्रत्येक चॅनेलचा पल्स पोस्ट-कॉम्प्रेशन तंत्राने २.६ fs पर्यंत संकुचित केला, तर संबंधित आउटपुट पल्स शक्ती २३० PW पर्यंत वाढेल, जी २.०×१०²⁵ W/cm² च्या प्रकाश तीव्रतेशी जुळते.
अधिक प्रकाश तीव्रता प्राप्त करण्यासाठी, ६०० PW आउटपुटवर, आकृती २ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, १२ चॅनेलमधील प्रकाश स्पंद व्यस्त द्विध्रुव प्रारणाच्या भूमितीमध्ये केंद्रित केले जातील. जेव्हा प्रत्येक चॅनेलमधील स्पंद कला (पल्स फेज) लॉक केलेली नसते, तेव्हा केंद्रीकरण तीव्रता ९×१०²⁵ W/cm² पर्यंत पोहोचू शकते. जर प्रत्येक स्पंद कला लॉक आणि सिंक्रोनाइझ केली गेली, तर सुसंगत परिणामी प्रकाश तीव्रता ३.२×१०²⁶ W/cm² पर्यंत वाढेल. मुख्य लक्ष्य कक्षाव्यतिरिक्त, XCELS प्रकल्पामध्ये १० पर्यंत वापरकर्ता प्रयोगशाळांचा समावेश आहे, ज्यापैकी प्रत्येक प्रयोगांसाठी एक किंवा अधिक शलाका (बीम) स्वीकारते. या अत्यंत तीव्र प्रकाश क्षेत्राचा वापर करून, XCELS प्रकल्प चार श्रेणींमध्ये प्रयोग करण्याची योजना आखत आहे: तीव्र लेझर क्षेत्रांमधील क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स प्रक्रिया; कणांचे उत्पादन आणि प्रवेग; दुय्यम विद्युत चुंबकीय प्रारणाची निर्मिती; प्रयोगशाळा खगोलभौतिकी, उच्च ऊर्जा घनता प्रक्रिया आणि निदानविषयक संशोधन.
आकृती २ मुख्य लक्ष्य कक्षामधील केंद्रीकरण भूमिती. स्पष्टतेसाठी, शलाका ६ चा पॅराबोलिक आरसा पारदर्शक ठेवला आहे, आणि इनपुट व आउटपुट शलाकांमध्ये फक्त दोन चॅनेल १ आणि ७ दाखवले आहेत.
आकृती ३ मध्ये प्रायोगिक इमारतीमधील एक्ससीईएलएस (XCELS) लेझर प्रणालीच्या प्रत्येक कार्यात्मक क्षेत्राची अवकाशीय मांडणी दर्शविली आहे. वीज, व्हॅक्यूम पंप, जलशुद्धीकरण आणि वातानुकूलन तळघरात आहेत. एकूण बांधकाम क्षेत्र २४,००० चौरस मीटरपेक्षा जास्त आहे. एकूण वीज वापर सुमारे ७.५ मेगावॅट आहे. प्रायोगिक इमारत एका अंतर्गत पोकळ संपूर्ण फ्रेम आणि एका बाह्य भागाची बनलेली आहे, जे प्रत्येकी दोन स्वतंत्र पायांवर बांधलेले आहेत. व्हॅक्यूम आणि इतर कंपन-प्रेरक प्रणाली कंपन-विलग पायावर स्थापित केल्या आहेत, जेणेकरून पाया आणि आधाराद्वारे लेझर प्रणालीकडे प्रसारित होणाऱ्या व्यत्ययाची तीव्रता १-२०० हर्ट्झच्या वारंवारता श्रेणीमध्ये १०⁻¹⁰ ग्रॅम²/हर्ट्झ पेक्षा कमी होईल. याव्यतिरिक्त, जमिनीच्या आणि उपकरणांच्या विचलनावर पद्धतशीरपणे लक्ष ठेवण्यासाठी लेझर हॉलमध्ये भूमितीय संदर्भ मार्करचे जाळे उभारले आहे.
XCELS प्रकल्पाचे उद्दिष्ट अत्यंत उच्च शिखर शक्तीच्या लेझर्सवर आधारित एक मोठी वैज्ञानिक संशोधन सुविधा तयार करणे आहे. XCELS लेझर प्रणालीचा एक चॅनेल १०२४ वॅट/सेमी² पेक्षा कित्येक पटींनी जास्त केंद्रित प्रकाश तीव्रता प्रदान करू शकतो, जी पोस्ट-कॉम्प्रेशन तंत्रज्ञानाने १०२५ वॅट/सेमी² पर्यंत आणखी वाढवता येते. लेझर प्रणालीतील १२ चॅनेलमधून डायपोल-फोकसिंगद्वारे स्पंद (पल्सेस) केंद्रित करून, पोस्ट-कॉम्प्रेशन आणि फेज लॉकिंगशिवायही १०२६ वॅट/सेमी² च्या जवळपास तीव्रता प्राप्त केली जाऊ शकते. जर चॅनेलमधील फेज सिंक्रोनायझेशन लॉक केले गेले, तर प्रकाश तीव्रता कित्येक पटींनी जास्त असेल. या विक्रमी स्पंद तीव्रतेचा आणि बहु-चॅनेल बीम रचनेचा वापर करून, भविष्यातील XCELS सुविधा अत्यंत उच्च तीव्रतेचे प्रयोग, गुंतागुंतीचे प्रकाश क्षेत्र वितरण आणि बहु-चॅनेल लेझर बीम व दुय्यम प्रारणाचा वापर करून होणाऱ्या आंतरक्रियांचे निदान करण्यास सक्षम असेल. यामुळे अति-शक्तिशाली विद्युत चुंबकीय क्षेत्राच्या प्रायोगिक भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रात एक अद्वितीय भूमिका बजावली जाईल.
पोस्ट करण्याची वेळ: २६ मार्च २०२४