မကြာသေးမီက ရုရှားသိပ္ပံအကယ်ဒမီ၏ အသုံးချရူပဗေဒအင်စတီကျုသည် အလွန်အမင်းအလင်းလေ့လာမှုကို အခြေခံသည့် ကြီးမားသော သိပ္ပံနည်းကျကိရိယာများအတွက် သုတေသနအစီအစဉ်တစ်ခုဖြစ်သည့် eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) ကို မိတ်ဆက်ခဲ့သည်။ပါဝါမြင့်လေဆာများဒီစီမံကိန်းမှာ အလွန်ကြီးမားတဲ့ အဆောက်အဦးတစ်ခု တည်ဆောက်ခြင်း ပါဝင်ပါတယ်။မြင့်မားသောပါဝါလေဆာကြီးမားသော အပေါက်ပိုတက်စီယမ် ဒိုင်ဒီယူတီရီယမ် ဖော့စဖိတ် (DKDP၊ ဓာတုဗေဒ ဖော်မြူလာ KD2PO4) ပုံဆောင်ခဲများတွင် optical parametric chirped pulse amplification နည်းပညာကို အခြေခံထားပြီး စုစုပေါင်း 600 PW အမြင့်ဆုံးပါဝါ pulses များ ထွက်ရှိမည်ဟု မျှော်လင့်ရသည်။ ဤလုပ်ငန်းသည် XCELS စီမံကိန်းနှင့် ၎င်း၏ လေဆာစနစ်များအကြောင်း အရေးကြီးသော အသေးစိတ်အချက်အလက်များနှင့် သုတေသနတွေ့ရှိချက်များကို ပံ့ပိုးပေးပြီး အလွန်အားကောင်းသော အလင်းစက်ကွင်း အပြန်အလှန် ဆက်သွယ်မှုများနှင့် ဆက်စပ်သော အသုံးချမှုများနှင့် အလားအလာရှိသော သက်ရောက်မှုများကို ဖော်ပြထားသည်။
XCELS အစီအစဉ်ကို ၂၀၁၁ ခုနှစ်တွင် အမြင့်ဆုံးပါဝါရရှိရန် ကနဦးရည်မှန်းချက်ဖြင့် အဆိုပြုခဲ့သည်။လေဆာpulse output 200 PW ကို လက်ရှိတွင် 600 PW အထိ အဆင့်မြှင့်တင်ထားသည်။လေဆာစနစ်အဓိကနည်းပညာသုံးခုအပေါ် မူတည်သည်-
(၁) ရိုးရာ Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) နည်းပညာအစား Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) နည်းပညာကို အသုံးပြုသည်။ CPA) နည်းပညာ။
(2) DKDP ကို gain medium အဖြစ်အသုံးပြုခြင်းဖြင့် ultra wideband phase matching ကို 910 nm wavelength အနီးတွင် အကောင်အထည်ဖော်သည်။
(3) parametric amplifier ကို pump လုပ်ရန် joules ထောင်ပေါင်းများစွာ၏ pulse energy ရှိသော large aperture neodymium glass laser ကို အသုံးပြုသည်။
Ultra-wideband phase matching ကို ပုံဆောင်ခဲများစွာတွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်တွေ့ရှိရပြီး OPCPA femtosecond laser များတွင် အသုံးပြုသည်။ DKDP ပုံဆောင်ခဲများကို အသုံးပြုရခြင်းမှာ ၎င်းတို့သည် လက်တွေ့တွင်တွေ့ရှိရသော တစ်ခုတည်းသောပစ္စည်းဖြစ်ပြီး တစ်ချိန်တည်းမှာပင် multi-PW power ၏ amplification ကို ပံ့ပိုးပေးရန်အတွက် လက်ခံနိုင်သော optical အရည်အသွေးများ ရှိသောကြောင့်ဖြစ်သည်။လေဆာများ။ DKDP ပုံဆောင်ခဲကို ND glass laser ၏ double frequency light ဖြင့် pump လုပ်သောအခါ၊ amplified pulse ၏ carrier wavelength သည် 910 nm ဖြစ်ပါက၊ wave vector mismatch ၏ Taylor expansion ၏ ပထမသုံးခုသည် 0 ဖြစ်ကြောင်း တွေ့ရှိရသည်။
ပုံ ၁ သည် XCELS လေဆာစနစ်၏ ပုံကြမ်း အပြင်အဆင်ဖြစ်သည်။ ရှေ့ပိုင်းသည် 910 nm (ပုံ ၁ တွင် 1.3) အလယ်ဗဟိုလှိုင်းအလျားရှိသော chirped femtosecond pulses များကိုထုတ်ပေးပြီး OPCPA pumped laser (ပုံ ၁ တွင် 1.1 နှင့် 1.2) ဖြင့်ထိုးသွင်းသည် (ပုံ ၁ တွင် 1.1 နှင့် 1.2)။ ရှေ့ပိုင်းသည် ဤ pulses များ၏ ထပ်တူကျမှုအပြင် လိုအပ်သောစွမ်းအင်နှင့် spatiotemporal parameters များကိုလည်း သေချာစေသည်။ ပိုမိုမြင့်မားသော repetition rate (1 Hz) ဖြင့်လည်ပတ်သော အလယ်အလတ် OPCPA သည် chirped pulse ကို joules ဆယ်ဂဏန်းအထိ ချဲ့ထွင်ပေးသည် (ပုံ ၁ တွင် 2)။ pulse ကို Booster OPCPA မှ kilojoule beam တစ်ခုတည်းအဖြစ် ထပ်မံချဲ့ထွင်ပြီး တူညီသော sub-beams ၁၂ ခု (ပုံ ၁ တွင် 4) အဖြစ် ပိုင်းခြားသည်။ နောက်ဆုံး OPCPA ၁၂ ခုတွင် chirped light pulses ၁၂ ခုစီကို kilojoule အဆင့်အထိ ချဲ့ထွင်ပြီးနောက် compression gratings ၁၂ ခု (ပုံ ၁ တွင် 6 of GC) ဖြင့် ဖိသိပ်သည်။ acousto-optic programmable dispersion filter ကို front end မှာ အသုံးပြုထားပြီး group velocity dispersion နဲ့ high order dispersion ကို တိကျစွာ ထိန်းချုပ်နိုင်တာကြောင့် pulse width အနည်းဆုံး ရရှိနိုင်ပါတယ်။ pulse spectrum ဟာ 12th-order supergauss ပုံစံရှိပြီး အများဆုံးတန်ဖိုးရဲ့ 1% မှာ spectral bandwidth ဟာ 150 nm ဖြစ်ပြီး Fourier transform limit pulse width 17 fs နဲ့ ကိုက်ညီပါတယ်။ parametric amplifier တွေမှာ incomplete dispersion compensation နဲ့ nonlinear phase compensation ရဲ့ အခက်အခဲကို ထည့်သွင်းစဉ်းစားရင် pulse width ဟာ 20 fs ဖြစ်ပါတယ်။
XCELS လေဆာသည် 8-channel UFL-2M neodymium glass laser frequency doubling module နှစ်ခု (ပုံ ၁ ရှိ ၃ ခု) ကို အသုံးပြုမည်ဖြစ်ပြီး၊ ၎င်းတို့အနက် 13 channel များကို Booster OPCPA နှင့် 12 final OPCPA ကို pump လုပ်ရန် အသုံးပြုမည်ဖြစ်သည်။ ကျန်ရှိသော channel သုံးခုကို independent nanosecond kilojoule pulsed အဖြစ် အသုံးပြုမည်ဖြစ်သည်။လေဆာရင်းမြစ်များအခြားစမ်းသပ်မှုများအတွက်။ DKDP ပုံဆောင်ခဲများ၏ optical breakdown threshold ဖြင့် ကန့်သတ်ထားသော၊ pumped pulse ၏ irradiation intensity ကို channel တစ်ခုစီအတွက် 1.5 GW/cm2 သတ်မှတ်ထားပြီး duration မှာ 3.5 ns ဖြစ်သည်။
XCELS လေဆာ၏ ချန်နယ်တစ်ခုစီသည် 50 PW ပါဝါရှိသော pulses များကို ထုတ်လုပ်ပေးသည်။ စုစုပေါင်း ချန်နယ် ၁၂ ခုသည် စုစုပေါင်း output ပါဝါ 600 PW ကို ပေးစွမ်းသည်။ အဓိကပစ်မှတ်အခန်းတွင်၊ အကောင်းဆုံးအခြေအနေများအောက်တွင် ချန်နယ်တစ်ခုစီ၏ အမြင့်ဆုံး focusing intensity မှာ 0.44×1025 W/cm2 ဖြစ်ပြီး၊ F/1 focusing element များကို focusing အတွက်အသုံးပြုသည်ဟု ယူဆပါက။ ချန်နယ်တစ်ခုစီ၏ pulse ကို post-compression နည်းပညာဖြင့် 2.6 fs အထိ ထပ်မံဖိသိပ်ပါက၊ သက်ဆိုင်ရာ output pulse power ကို 230 PW အထိ တိုးမြှင့်မည်ဖြစ်ပြီး၊ ၎င်းသည် 2.0×1025 W/cm2 ၏ အလင်းပြင်းအားနှင့် ကိုက်ညီပါသည်။
ပိုမိုမြင့်မားသော အလင်းအားရရှိရန်အတွက်၊ 600 PW အထွက်တွင်၊ ချန်နယ် ၁၂ ခုရှိ အလင်းလှိုင်းများကို ပုံ ၂ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း ပြောင်းပြန် dipole ရောင်ခြည်၏ ဂျီသြမေတြီတွင် အာရုံစိုက်မည်ဖြစ်သည်။ ချန်နယ်တစ်ခုစီရှိ pulse phase ကို lock မလုပ်သည့်အခါ၊ အာရုံစူးစိုက်မှုပြင်းထန်မှုသည် 9×1025 W/cm2 သို့ ရောက်ရှိနိုင်သည်။ pulse phase တစ်ခုစီကို lock လုပ်ပြီး ထပ်တူပြုလုပ်ပါက၊ ဆက်စပ်ရလဒ် အလင်းအားသည် 3.2×1026 W/cm2 အထိ တိုးလာမည်ဖြစ်သည်။ အဓိကပစ်မှတ်အခန်းအပြင်၊ XCELS ပရောဂျက်တွင် အသုံးပြုသူဓာတ်ခွဲခန်း ၁၀ ခုအထိ ပါဝင်ပြီး တစ်ခုစီတွင် စမ်းသပ်မှုများအတွက် ရောင်ခြည်တစ်ခု သို့မဟုတ် တစ်ခုထက်ပို၍ ရရှိသည်။ ဤအလွန်အားကောင်းသော အလင်းစက်ကွင်းကို အသုံးပြု၍ XCELS ပရောဂျက်သည် အမျိုးအစားလေးမျိုးဖြင့် စမ်းသပ်မှုများကို လုပ်ဆောင်ရန် စီစဉ်ထားသည်- ပြင်းထန်သောလေဆာစက်ကွင်းများတွင် ကွမ်တမ်လျှပ်စစ်ဒိုင်းနမစ်လုပ်ငန်းစဉ်များ၊ အမှုန်များထုတ်လုပ်မှုနှင့် အရှိန်မြှင့်ခြင်း၊ ဒုတိယလျှပ်စစ်သံလိုက်ရောင်ခြည်ထုတ်လုပ်မှု၊ ဓာတ်ခွဲခန်းနက္ခတ္တဗေဒ၊ မြင့်မားသောစွမ်းအင်သိပ်သည်းဆလုပ်ငန်းစဉ်များနှင့် ရောဂါရှာဖွေရေးသုတေသန။
ပုံ ၂။ အဓိကပစ်မှတ်ခန်းရှိ အာရုံစူးစိုက်မှုဂျီသြမေတြီ။ ရှင်းလင်းစေရန်အတွက်၊ beam 6 ၏ parabolic mirror ကို transparent အဖြစ်သတ်မှတ်ထားပြီး input နှင့် output beams များသည် channel 1 နှင့် 7 နှစ်ခုသာပြသသည်။
ပုံ ၃ တွင် စမ်းသပ်အဆောက်အအုံရှိ XCELS လေဆာစနစ်၏ လုပ်ဆောင်နိုင်သော ဧရိယာတစ်ခုစီ၏ နေရာချထားမှုကို ပြသထားသည်။ လျှပ်စစ်၊ ဖုန်စုပ်စက်များ၊ ရေသန့်စင်မှု၊ သန့်စင်မှုနှင့် လေအေးပေးစက်များကို မြေအောက်ခန်းတွင် တည်ရှိသည်။ စုစုပေါင်း ဆောက်လုပ်ရေးဧရိယာမှာ ၂၄,၀၀၀ m2 ကျော်ရှိသည်။ စုစုပေါင်း လျှပ်စစ်ဓာတ်အားသုံးစွဲမှုမှာ ၇.၅ MW ခန့်ရှိသည်။ စမ်းသပ်အဆောက်အအုံတွင် အတွင်းပိုင်း အခေါင်းပေါက်ဘောင်နှင့် အပြင်ဘက်အပိုင်းတစ်ခုပါဝင်ပြီး တစ်ခုစီကို ခွဲထားသော အုတ်မြစ်နှစ်ခုပေါ်တွင် တည်ဆောက်ထားသည်။ ဖုန်စုပ်စက်နှင့် အခြားတုန်ခါမှုဖြစ်ပေါ်စေသော စနစ်များကို တုန်ခါမှုခွဲထားသော အုတ်မြစ်ပေါ်တွင် တပ်ဆင်ထားသောကြောင့် အုတ်မြစ်နှင့် အထောက်အပံ့မှတစ်ဆင့် လေဆာစနစ်သို့ ထုတ်လွှင့်သော နှောင့်ယှက်မှုပမာဏကို 1-200 Hz ကြိမ်နှုန်းအပိုင်းအခြားတွင် 10-10 g2/Hz အောက်သို့ လျှော့ချပေးသည်။ ထို့အပြင် မြေပြင်နှင့် ပစ္စည်းကိရိယာများ၏ ရွေ့လျားမှုကို စနစ်တကျ စောင့်ကြည့်ရန်အတွက် လေဆာခန်းမတွင် geodesic reference markers များ၏ ကွန်ရက်တစ်ခုကို တည်ဆောက်ထားသည်။
XCELS စီမံကိန်းသည် အလွန်မြင့်မားသော အမြင့်ဆုံးပါဝါလေဆာများကို အခြေခံသည့် ကြီးမားသော သိပ္ပံနည်းကျသုတေသန အဆောက်အအုံတစ်ခု ဖန်တီးရန် ရည်ရွယ်ပါသည်။ XCELS လေဆာစနစ်၏ ချန်နယ်တစ်ခုသည် 1024 W/cm2 ထက် အဆပေါင်းများစွာ မြင့်မားသော အာရုံစူးစိုက်ထားသော အလင်းပြင်းအားကို ပေးစွမ်းနိုင်ပြီး၊ ၎င်းကို post-compression နည်းပညာဖြင့် 1025 W/cm2 ဖြင့် ပိုမိုကျော်လွန်နိုင်သည်။ လေဆာစနစ်ရှိ ချန်နယ် ၁၂ ခုမှ dipole-focusing pulses များဖြင့် post-compression နှင့် phase locking မရှိဘဲပင် 1026 W/cm2 နှင့် နီးစပ်သော ပြင်းအားကို ရရှိနိုင်သည်။ ချန်နယ်များအကြား phase synchronization ကို lock လုပ်ထားပါက အလင်းပြင်းအားသည် အဆပေါင်းများစွာ မြင့်မားလာမည်ဖြစ်သည်။ ဤစံချိန်တင် pulse intensities နှင့် multi-channel beam layout ကို အသုံးပြုခြင်းဖြင့် အနာဂတ် XCELS အဆောက်အအုံသည် အလွန်မြင့်မားသော ပြင်းအား၊ ရှုပ်ထွေးသော အလင်းစက်ကွင်း ဖြန့်ဖြူးမှုများဖြင့် စမ်းသပ်မှုများကို ပြုလုပ်နိုင်ပြီး multi-channel laser beams များနှင့် secondary radiation ကိုအသုံးပြု၍ အပြန်အလှန် ဆက်သွယ်မှုများကို ရောဂါရှာဖွေနိုင်မည်ဖြစ်သည်။ ၎င်းသည် အလွန်အားကောင်းသော လျှပ်စစ်သံလိုက်စက်ကွင်း စမ်းသပ်ရူပဗေဒနယ်ပယ်တွင် ထူးခြားသောအခန်းကဏ္ဍမှ ပါဝင်မည်ဖြစ်သည်။
ပို့စ်တင်ချိန်: ၂၀၂၄ ခုနှစ်၊ မတ်လ ၂၆ ရက်