211service.com
Budowa najpotężniejszego lasera na świecie
W marcu br. naukowcy z Krajowy Zakład Zapłonu zademonstrował laser 1,1 megadżuli zaprojektowany do zapłonu reakcji syntezy jądrowej do 2010 roku. Ale technologia obiektu, która mieści się w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, nie może jeszcze generować wystarczającej ilości energii, aby napędzać praktyczną elektrownię. Tak więc, mimo że fizycy nie mogą się doczekać przyszłorocznych demonstracji, pracują nad jeszcze potężniejszymi laserami, które mogą umożliwić opracowanie metody na rodzaj indukowanej laserowo fuzji zwanej szybkim zapłonem.
Wzmocnij: Laser ten może dostarczyć impuls światła o mocy 200 dżuli, trwający zaledwie 100 femtosekund. Kable z lewej strony pompują do zielonych lamp błyskowych, które pompują laser.
W tym tygodniu na Doroczne spotkanie z Amerykańskie Towarzystwo Optyczne w San Jose w Kalifornii naukowcy z University of Texas przedstawili plany zbudowania eksawatowego lasera, który byłby o trzy rzędy wielkości silniejszy niż cokolwiek, co istnieje obecnie. Dzisiejsze najpotężniejsze lasery działają na poziomie około petawata, czyli 10 do mocy 15 (jeden biliard) watów. Exawat to 10 do 18 watów. Lasery Exawatt będą w stanie skoncentrować tę moc w obszarach mierzonych w mikrometrach, tworząc ogromne intensywności.
Jednym ze sposobów zwiększenia mocy lasera jest skrócenie czasu trwania impulsu laserowego. Jednak praca z impulsami laserowymi rzędu pikosekund, a nawet femtosekund jest trudna, ponieważ takie impulsy składają się z szerokiego pasma częstotliwości światła, które uszkadzają szkło optyczne, w tym szkło fosforanowe często używane do wzmacniania światła laserowego, na przykład w National Ignition Obiekt.
Todd Ditmire , dyrektor High Intensity Laser Science Group na University of Texas w Austin, poinformował na spotkaniu w tym tygodniu, że nowy rodzaj szkła powinien być w stanie wytrzymać intensywne impulsy światła potrzebne do wytworzenia eksawatowego lasera. Szkło byłoby domieszkowane i wykorzystywane do tworzenia urządzeń zwanych wzmacniaczami – kiedy światło z lasera pada na szklany wzmacniacz, jony w szkle pochłaniają światło i ponownie emitują je z wyższą energią. Szkło jest tylko żywicielem – to przezroczysty materiał, który zawiera jony, mówi Ditmire.
Zaletą klejenia szkłem zamiast innego materiału jest to, że producenci mogą łatwo zrobić z niego duże urządzenia, co zwiększa moc powstałej wiązki. W przeciwieństwie do tego szafir tytanowy może działać jako wzmacniacz laserów o dużej mocy, ale trudno go wykonać w dużych kawałkach, mówi Ditmire. Współpraca z niemieckim producentem Schott , grupa Texas zaczęła charakteryzować właściwości swojego nowego rodzaju szkła, które łączy krzemian, materiał, z którego wykonane są szklane przedmioty codziennego użytku, z metalowym elementem tantalu. Ditmire mówi, że jego grupa współpracuje teraz z Schott nad stworzeniem większych kawałków materiału, które zostaną zmontowane w celu stworzenia prototypu lasera.
Ditmire spodziewa się, że pierwsze zastosowanie eksawatowych laserów będzie źródłem energii dla medycznych akceleratorów cząstek. Bombardowanie guzów protonami powoduje mniej skutków ubocznych niż terapia rentgenowska, ponieważ protony jednocześnie uwalniają swoją energię, oszczędzając otaczające tkanki. Jednak terapia protonowa nie znalazła szerokiego zastosowania, ponieważ wymaga dużych akceleratorów cząstek. Kompaktowe lasery eksawatowe powinny być wystarczająco mocne, aby przyspieszać protony w terapii medycznej.
Jednak najbardziej ekscytującym potencjalnym zastosowaniem laserów o mocy eksawatów są elektrownie termojądrowe, które opierają się na procesie zwanym szybkim zapłonem. Na wczesnych etapach National Ignition Facility będzie wykorzystywał lasery petawatowe do kompresji granulki złotego paliwa, aż podgrzeje się do 100 milionów °C, wywołując fuzję. Również na konferencji w tym tygodniu naukowcy z ośrodka poinformowali, że ukończyli kolejny krok na drodze do kontrolowania reakcji syntezy jądrowej, opisując wstępne testy swojego systemu przy użyciu impulsu o mocy 500 000 dżuli do implodowania granulki paliwa termojądrowego.
Szybki zapłon działa inaczej. Zamiast pojedynczego impulsu, technika wykorzystywałaby lasery o niższej mocy do sprężania paliwa bez martwienia się o jego podgrzanie, a następnie laser o krótkim impulsie [exawat], który działa jak świeca zapłonowa, zapalając reakcję syntezy jądrowej, mówi Ditmire.
To, czy to zadziała, jest kontrowersyjne, przyznaje Ditmire. Wycelowanie w tak krótki impuls może być problematyczne. Teoretycznie jednak proces szybkiego zapłonu powinien wymagać mniej energii do działania. Najważniejszą miarą wydajności reaktora termojądrowego jest jego wzmocnienie, czyli stosunek energii potrzebnej do działania laserów do ilości energii wytworzonej w reakcji. Celem obiektu w Livermore jest wzmocnienie od 15 do 20. Potrzebujesz wzmocnienia 100, aby zbudować elektrownię termojądrową, a obliczenia pokazują, że lasery o mocy eksawatów mogą to osiągnąć, mówi Ditmire.
Ale nowy materiał szklany nie jest jedynym kluczem do zbudowania eksawatowego lasera. Grupa Ditmire'a odniosła również sukces dzięki nowym technikom wzmacniania do wytwarzania bardzo krótkich impulsów przy użyciu uniwersyteckiego Texas Petawatt Laser . Według Ditmire’a trik na uzyskanie bardzo dużej mocy to technika zwana ćwierkaniem, w której różne częstotliwości światła są rozdzielane, przepuszczane przez szklane wzmacniacze, a następnie przepuszczane przez kompresor, aby połączyć je z powrotem w pojedynczy impuls o większej mocy. . Metoda grupy Texas łączy w tym procesie różne typy wzmacniaczy szklanych, co pozwala na większą kompresję światła, a tym samym dalsze zwiększenie mocy wyjściowej. Na spotkaniu Ditmire poinformował, że używa tej techniki do tworzenia impulsów 100 femtosekundowych.
Ditmire nie jest jedynym badaczem, który naciska na rozwój exawatowych laserów. Wynalazca ćwierkania, Gerard Mourou z Ecole Polytechnique we Francji, jest liderem europejskiego projektu lasera eksawatowego o nazwie LUB lub Infrastruktura Ekstremalnie Lekka. Grupa europejska planuje użyć wzmacniaczy tytanowo-szafirowych zamiast konwencjonalnego szkła.