Nedávno Institut aplikované fyziky Ruské akademie věd představil eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), výzkumný program pro velká vědecká zařízení založený na extrémněvysoce výkonné lasery. Projekt zahrnuje výstavbu velmivysoce výkonný laserzaložené na technologii optického parametrického zesílení pulzů v krystalech dideuteriumfosfátu draselného (DKDP, chemický vzorec KD2PO4) s velkou aperturou, s očekávaným celkovým výkonem 600 PW pulzů špičkového výkonu. Tato práce poskytuje důležité podrobnosti a výzkumná zjištění o projektu XCELS a jeho laserových systémech, popisuje aplikace a potenciální dopady související s interakcemi ultrasilného světelného pole.
Program XCELS byl navržen v roce 2011 s původním cílem dosáhnout špičkového výkonulaserpulzní výkon 200 PW, který je v současnosti upgradován na 600 PW. Jeholaserový systémse opírá o tři klíčové technologie:
(1) Technologie optického parametrického zesilování pulsu (OPCPA) se používá namísto tradičního zesilování chvělého pulsu (OPCPA). CPA) technologie;
(2) Použitím DKDP jako média zisku je realizováno ultraširokopásmové fázové přizpůsobení v blízkosti vlnové délky 910 nm;
(3) K čerpání parametrického zesilovače se používá velkoplošný laser z neodymového skla s pulzní energií tisíců joulů.
Ultra-širokopásmové fázové přizpůsobení se široce nachází v mnoha krystalech a používá se ve femtosekundových laserech OPCPA. Krystaly DKDP se používají proto, že se jedná o jediný v praxi nalezený materiál, který lze pěstovat do desítek centimetrů apertury a zároveň má přijatelné optické vlastnosti pro podporu zesílení výkonu multi-PWlasery. Bylo zjištěno, že když je krystal DKDP čerpán dvojfrekvenčním světlem ND skleněného laseru, je-li nosná vlnová délka zesíleného pulsu 910 nm, první tři členy Taylorovy expanze nesouladu vlnového vektoru jsou 0.
Obrázek 1 je schematický nákres laserového systému XCELS. Přední konec generoval cvrlikání femtosekundové pulzy s centrální vlnovou délkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a 1054 nm nanosekundové pulzy vstřikované do OPCPA čerpaného laseru (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Frontend také zajišťuje synchronizaci těchto impulsů a také požadované energetické a časoprostorové parametry. Mezilehlá OPCPA pracující při vyšší opakovací frekvenci (1 Hz) zesiluje cvrlikání pulsu na desítky joulů (2 na obrázku 1). Puls je dále zesílen Boosterem OPCPA do jediného kilojoulového paprsku a rozdělen do 12 identických dílčích paprsků (4 na obrázku 1). V konečných 12 OPCPA je každý z 12 cvrlikání světelných pulsů zesílen na úroveň kilojoulů (5 na obrázku 1) a poté komprimován 12 kompresními mřížkami (GC 6 na obrázku 1). Akustooptický programovatelný disperzní filtr se používá v přední části pro přesné řízení skupinové disperze rychlosti a disperze vysokého řádu, aby se dosáhlo co nejmenší šířky pulzu. Spektrum pulsů má tvar téměř 12. řádu supergauss a spektrální šířka pásma při 1 % maximální hodnoty je 150 nm, což odpovídá šířce pulsu limitu Fourierovy transformace 17 fs. Vzhledem k neúplné disperzní kompenzaci a obtížnosti nelineární fázové kompenzace v parametrických zesilovačích je očekávaná šířka pulsu 20 fs.
Laser XCELS bude využívat dva 8-kanálové UFL-2M neodymové skleněné laserové moduly pro zdvojení frekvence (3 na obrázku 1), z nichž 13 kanálů bude použito k čerpání Booster OPCPA a 12 finálních OPCPA. Zbývající tři kanály budou použity jako nezávislé pulzní nanosekundy kilojoulůlaserové zdrojepro další experimenty. Omezená prahem optického průrazu krystalů DKDP je intenzita ozáření čerpaného pulzu nastavena na 1,5 GW/cm2 pro každý kanál a doba trvání je 3,5 ns.
Každý kanál laseru XCELS produkuje pulsy o výkonu 50 PW. Celkem 12 kanálů poskytuje celkový výstupní výkon 600 PW. V hlavní cílové komoře je maximální intenzita ostření každého kanálu za ideálních podmínek 0,44×1025 W/cm2, za předpokladu, že k ostření jsou použity ostřící prvky F/1. Pokud je puls každého kanálu dále komprimován na 2,6 fs post-kompresní technikou, odpovídající výstupní pulsní výkon se zvýší na 230 PW, což odpovídá intenzitě světla 2,0 × 1025 W/cm2.
Pro dosažení větší intenzity světla při výkonu 600 PW budou světelné pulzy ve 12 kanálech zaostřeny v geometrii inverzního dipólového záření, jak je znázorněno na obrázku 2. Když pulzní fáze v každém kanálu není zablokována, intenzita zaostření může dosah 9×1025 W/cm2. Pokud je každá pulzní fáze zablokována a synchronizována, koherentní výsledná intenzita světla se zvýší na 3,2×1026 W/cm2. Kromě hlavní cílové místnosti zahrnuje projekt XCELS až 10 uživatelských laboratoří, z nichž každá přijímá jeden nebo více paprsků pro experimenty. S využitím tohoto extrémně silného světelného pole plánuje projekt XCELS provést experimenty ve čtyřech kategoriích: kvantové elektrodynamické procesy v intenzivních laserových polích; Produkce a urychlování částic; Generování sekundárního elektromagnetického záření; Laboratorní astrofyzika, procesy s vysokou hustotou energie a diagnostický výzkum.
OBR. 2 Geometrie ostření v hlavní cílové komoře. Pro přehlednost je parabolické zrcadlo paprsku 6 nastaveno na průhledné a vstupní a výstupní paprsky zobrazují pouze dva kanály 1 a 7
Obrázek 3 ukazuje prostorové uspořádání každé funkční oblasti laserového systému XCELS v experimentální budově. V suterénu je umístěna elektřina, vývěvy, úprava vody, čištění a vzduchotechnika. Celková stavební plocha je více než 24 000 m2. Celkový příkon je cca 7,5 MW. Experimentální budova se skládá z vnitřního dutého celkového rámu a vnější části, z nichž každá je postavena na dvou oddělených základech. Vakuové a další vibrační systémy jsou instalovány na základu izolovaném od vibrací, takže amplituda rušení přenášeného do laserového systému přes základ a podpěru 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 značek pro systematické sledování snosu země a zařízení.
Projekt XCELS má za cíl vytvořit velké vědecké výzkumné zařízení založené na laserech s extrémně vysokým výkonem. Jeden kanál laserového systému XCELS může poskytnout intenzitu soustředěného světla několikanásobně vyšší než 1024 W/cm2, která může být dále překročena o 1025 W/cm2 post-kompresní technologií. Pulsy dipólového zaostřování z 12 kanálů v laserovém systému lze dosáhnout intenzity blízké 1026 W/cm2 i bez post-komprese a fázového zámku. Pokud je fázová synchronizace mezi kanály zablokována, intenzita světla bude několikanásobně vyšší. Pomocí těchto rekordních intenzit pulsů a vícekanálového uspořádání paprsků bude budoucí zařízení XCELS schopno provádět experimenty s extrémně vysokou intenzitou, složitým rozložením světelného pole a diagnostikovat interakce pomocí vícekanálových laserových paprsků a sekundárního záření. To bude hrát jedinečnou roli v oblasti experimentální fyziky supersilného elektromagnetického pole.
Čas odeslání: 26. března 2024