Nedávno představil Ústav aplikované fyziky Ruské akademie věd Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), výzkumný program pro velká vědecká zařízení založený na extrémněVysoce výkonové lasery. Projekt zahrnuje výstavbu velmiVysoký výkonový laserNa základě optické parametrické technologie amplifikace pulsů ve velkém aperture draselném fosfátu draselného (DKDP, chemického vzorce KD2PO4), s očekávaným celkovým výkonem 600 PW maximálních pulsů. Tato práce poskytuje důležité podrobnosti a výzkumné zjištění o projektu XCELS a jeho laserových systémech, které popisují aplikace a potenciální dopady související s velmi silnými interakcemi světla.
Program XCELS byl navržen v roce 2011 s počátečním cílem dosáhnout špičkové sílylaserPulzní výstup 200 PW, který je v současné době upgradován na 600 PW. Jeholaserový systémspoléhá na tři klíčové technologie:
(1) Technologie optického parametrického chirpovaného amplifikace pulsů (OPCPA) se používá místo tradiční amplifikace pulzů na chirpované pulsy (amplifikace chirpped puls, OPCPA). CPA) Technologie;
(2) Použití DKDP jako ziskového média, ultra širokopásmové fázové porovnávání se realizuje poblíž vlnové délky 910 nm;
(3) K čerpání parametrického zesilovače se používá velký laser neodymium skleněného laseru s pulzní energií s pulzní energií tisíců joulů.
Ultra širokopásmové porovnávání fáze je široce nalezeno v mnoha krystalech a používá se v laserech OPCPA femtosekund. Používají se krystaly DKDP, protože jsou jediným materiálem, který se vyskytuje v praxi, který lze pěstovat na desítky centimetrů clony a zároveň má přijatelné optické vlastnosti pro podporu amplifikace síly více-PWlasery. Zjistilo se, že když je krystal DKDP čerpán dvojitým frekvenčním světlem ND skleněného laseru, pokud je vlnová délka nosného amplifikovaného impulsu 910 nm, první tři termíny rozšíření Taylor vlnového vektoru jsou 0.
Obrázek 1 je schématické rozložení laserového systému Xcels. Přední konec generoval chirped femtosekundové impulzy s centrální vlnovou délkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a 1054 nm nanosekundové pulsy injikované do OPCPA čerpaného laseru (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Přední konec také zajišťuje synchronizaci těchto impulsů a také požadované energetické a časoprostorové parametry. Meziprodukt OPCPA pracující při vyšší rychlosti opakování (1 Hz) zesiluje chirped puls na desítky joulů (2 na obrázku 1). Puls je dále amplifikován posilovacím OPCPA do jediného kilojoule paprsku a rozdělen do 12 identických dílčích paprsků (4 na obrázku 1). V posledních 12 OPCPA je každá z 12 chirkovaných světelných pulsů amplifikována na úroveň kilojoule (5 na obrázku 1) a poté stlačena 12 kompresními mřížkami (GC 6 na obrázku 1). Acousto-optic programovatelný disperzní filtr se používá v přední části k přesné kontrolní skupinové disperzi rychlosti a disperze vysokého řádu, aby se získala nejmenší možná šířka pulsu. Pulzní spektrum má tvar téměř 12. řádu Supergauss a spektrální šířka pásma při 1% maximální hodnoty je 150 nm, což odpovídá šířce Fourierovy transformační limitní šířky 17 FS. S ohledem na neúplnou kompenzaci disperze a obtížnosti nelineární fázové kompenzace v parametrických zesilovačích je očekávaná šířka pulsu 20 fs.
Laser Xcels bude používat dva 8-kanálové UFL-2M neodymium skleněné laserové frekvenční moduly (3 na obrázku 1), z nichž 13 kanálů bude použito k čerpání posilovací OPCPA a 12 konečných OPCPA. Zbývající tři kanály budou použity jako nezávislý nanosekund Kilojoule pulzníLaserové zdrojepro další experimenty. Intenzita ozáření čerpaného pulsu, omezená optickým rozkladem krystalů DKDP, je nastavena na 1,5 GW/cm2 pro každý kanál a doba trvání je 3,5 ns.
Každý kanál laseru xcelů produkuje impulsy s výkonem 50 PW. Celkem 12 kanálů poskytuje celkový výstupní výkon 600 PW. V hlavní cílové komoře je maximální intenzita zaostření každého kanálu za ideálních podmínek 0,44 × 1025 W/cm2, za předpokladu, že pro zaostření se používají prvky zaostření f/1. Pokud je impuls každého kanálu dále komprimován na 2,6 fs technikou po komprese, odpovídající výstupní pulzní výkon se zvýší na 230 PW, což odpovídá intenzitě světla 2,0 x 1025 W/cm2.
Pro dosažení větší intenzity světla budou při výstupu 600 PW světelné pulzy ve 12 kanálech zaměřeny na geometrii inverzního dipólového záření, jak je znázorněno na obrázku 2. Když pulzní fáze v každém kanálu není uzamčena, intenzita zaostření může dosáhnout 9 × 1025 W/CM2. Pokud je každá fáze pulsu uzamčena a synchronizována, bude zvýšena koherentní výsledná intenzita světla na 3,2 x 1026 w/cm2. Kromě hlavní cílové místnosti zahrnuje projekt XCELS až 10 uživatelských laboratoří, z nichž každý přijímá jeden nebo více paprsků pro experimenty. Pomocí tohoto extrémně silného světelného pole plánuje projekt XCELS provádět experimenty ve čtyřech kategoriích: kvantové elektrodynamické procesy v intenzivních laserových polích; Produkce a zrychlení částic; Generování sekundárního elektromagnetického záření; Laboratorní astrofyzika, procesy s vysokou hustotou energie a diagnostický výzkum.
Obr. 2 Zaostření geometrie v hlavní cílové komoře. Pro jasnost je parabolické zrcadlo paprsku 6 nastaveno na průhledné a vstupní a výstupní paprsky ukazují pouze dva kanály 1 a 7
Obrázek 3 ukazuje prostorové uspořádání každé funkční oblasti laserového systému Xcels v experimentální budově. V suterénu se nachází elektřina, vakuová čerpadla, úprava vody, čištění a klimatizace. Celková stavební plocha je více než 24 000 m2. Celková spotřeba energie je asi 7,5 MW. Experimentální budova se skládá z celkového rámce vnitřní dutiny a externího sekce, z nichž každá je postavena na dvou oddělených základech. Vakuové a další systémy indukující vibrace jsou instalovány na základ izolované vibrace, takže amplituda rušení přenášeného do laserového systému prostřednictvím základu a podpory je snížena na méně než 10-10 G2/Hz ve frekvenčním rozsahu 1-200 Hz. Kromě toho je v laserové hale zřízena síť geodetických referenčních markerů, aby systematicky sledovala drift země a vybavení.
Cílem projektu XCELS je vytvořit velké vědecké výzkumné zařízení založené na extrémně vysokých špičkových výkonech. Jeden kanál laserového systému Xcels může poskytnout intenzitu zaostřeného světla několikrát vyšší než 1024 W/CM2, což lze dále překročit o 1025 W/CM2 s technologií po kompresi. Podle dipólových pulsů z 12 kanálů v laserovém systému lze intenzitu blízké 1026 W/CM2 dosáhnout i bez po komprese a fázového uzamykání. Pokud je fázová synchronizace mezi kanály uzamčena, intenzita světla bude několikrát vyšší. Pomocí těchto rekordních intenzit pulsů a rozložení vícekanálového paprsku bude moci budoucí zařízení Xcels provést experimenty s extrémně vysokou intenzitou, komplexním rozdělením světelného pole a diagnostikovat interakce pomocí vícekanálových laserových paprsků a sekundárního záření. To bude hrát jedinečnou roli v oblasti experimentální fyziky super silného elektromagnetického pole.
Čas příspěvku: březen-26-2024