Ústav aplikované fyziky Ruské akademie věd nedávno představil Centrum eXawatt pro studium extrémního světla (XCELS), výzkumný program pro velká vědecká zařízení založená na extrémněvysoce výkonné laseryProjekt zahrnuje výstavbu velmivysoce výkonný laserzaložené na technologii optického parametrického zesilování pulzů s chirpingem v krystalech dideuteriofosfátu draselného (DKDP, chemický vzorec KD2PO4) s velkou aperturou, s očekávaným celkovým výkonem 600 PW špičkových pulzů. Tato práce poskytuje důležité podrobnosti a výzkumné poznatky o projektu XCELS a jeho laserových systémech, popisuje aplikace a potenciální dopady související s interakcemi ultrasilných světelných polí.
Program XCELS byl navržen v roce 2011 s původním cílem dosáhnout špičkového výkonulaserpulzní výkon 200 PW, který je v současné době upgradován na 600 PW. Jeholaserový systémspoléhá na tři klíčové technologie:
(1) Místo tradiční technologie CPA (optické parametrické zesilování pulzů s čirováním);
(2) Použitím DKDP jako zesilovacího média je realizováno ultraširokopásmové fázové přizpůsobení v blízkosti vlnové délky 910 nm;
(3) K buzení parametrického zesilovače se používá neodymový skleněný laser s velkou aperturou a energií pulzů tisíců joulů.
Ultraširokopásmové fázové přizpůsobení se široce používá v mnoha krystalech a je používáno ve femtosekundových laserech OPCPA. Krystaly DKDP se používají, protože jsou jediným materiálem, který se v praxi vyskytuje a který lze pěstovat do desítek centimetrů apertury a zároveň mít přijatelné optické vlastnosti pro podporu zesílení výkonu vícenásobných PW.laseryBylo zjištěno, že když je krystal DKDP buzen dvojfrekvenčním světlem skleněného laseru ND, a nosná vlnová délka zesíleného pulzu je 910 nm, první tři členy Taylorova rozvoje nesouladu vlnových vektorů jsou 0.
Obrázek 1 je schematické znázornění laserového systému XCELS. Přední část generovala cvrlikané femtosekundové pulzy s centrální vlnovou délkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a nanosekundové pulzy 1054 nm injektované do buzeného laseru OPCPA (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Přední část také zajišťuje synchronizaci těchto pulzů a také požadovanou energii a časoprostorové parametry. Mezilehlý OPCPA pracující s vyšší opakovací frekvencí (1 Hz) zesiluje cvrlikaný pulz na desítky joulů (2 na obrázku 1). Pulz je dále zesílen zesilovačem OPCPA do jednoho kilojoulového paprsku a rozdělen do 12 identických dílčích paprsků (4 na obrázku 1). V konečných 12 OPCPA je každý z 12 cvrlikaných světelných pulzů 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 na vstupu pro přesné řízení disperze grupové rychlosti a disperze vyššího řádu, aby se dosáhlo co nejmenší šířky pulzu. Spektrum pulzu má tvar téměř 12. řádu supergauss a spektrální šířka pásma při 1 % maximální hodnoty je 150 nm, což odpovídá limitní šířce pulzu Fourierovy transformace 17 fs. Vzhledem k neúplné kompenzaci disperze a obtížnosti nelineární fázové kompenzace v parametrických zesilovačích je očekávaná šířka pulzu 20 fs.
Laser XCELS bude využívat dva 8kanálové neodymové skleněné laserové moduly UFL-2M pro zdvojování frekvence (3 na obrázku 1), z nichž 13 kanálů bude použito k buzení zesilovacího OPCPA a 12 k buzení finálního OPCPA. Zbývající tři kanály budou použity jako nezávislé nanosekundové kilojoulové pulzy.laserové zdrojepro další experimenty. Vzhledem k omezené optické prahové hodnotě 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 pulzy o výkonu 50 PW. Celkem 12 kanálů poskytuje celkový výstupní výkon 600 PW. V hlavní terčové komoře je maximální intenzita zaostřování každého kanálu za ideálních podmínek 0,44×10²⁶ W/cm², za předpokladu, že pro zaostřování jsou použity zaostřovací prvky F/1. Pokud je pulz každého kanálu dále komprimován na 2,6 fs technikou postkomprese, odpovídající výstupní pulzní výkon se zvýší na 230 PW, což odpovídá intenzitě světla 2,0×10²⁶ W/cm².
Pro dosažení vyšší intenzity světla budou při výkonu 600 PW světelné pulzy ve 12 kanálech zaostřeny v geometrii inverzního dipólového záření, jak je znázorněno na obrázku 2. Pokud není fáze pulzu v každém kanálu uzamčena, může intenzita zaostření dosáhnout 9×10²⁶ W/cm². Pokud je fáze každého pulzu uzamčena a synchronizována, koherentní výsledná intenzita světla se zvýší na 3,2×10²⁶ W/cm². Kromě hlavní terčové 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 provádět experimenty ve čtyřech kategoriích: kvantově 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 Zaostřovací geometrie v hlavní terčové komoře. Pro přehlednost je parabolické zrcadlo paprsku 6 nastaveno na průhlednost a vstupní a výstupní paprsek zobrazují pouze dva kanály 1 a 7.
Obrázek 3 znázorňuje prostorové uspořádání každé funkční oblasti laserového systému XCELS v experimentální budově. Elektřina, vakuové pumpy, úpravna vody, čištění a klimatizace se nacházejí v suterénu. Celková plocha stavby je více než 24 000 m2. Celková spotřeba energie je přibližně 7,5 MW. Experimentální budova se skládá z vnitřního dutého celkového rámu a vnější sekce, každá postavená na dvou oddělených základech. Vakuové a další systémy indukující vibrace jsou instalovány na vibračně izolovaném základu, 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 posunu terénu a zařízení.
Projekt XCELS si klade za cíl vytvořit rozsáhlé vědeckovýzkumné zařízení založené na laserech s extrémně vysokým špičkovým výkonem. Jeden kanál laserového systému XCELS může poskytnout fokusovanou intenzitu světla několikanásobně vyšší než 1024 W/cm2, kterou lze pomocí technologie postkomprese dále překonat o 1025 W/cm2. Dipólovým fokusováním pulzů z 12 kanálů v laserovém systému lze dosáhnout intenzity blízké 1026 W/cm2 i bez postkomprese a fázového blokování. Pokud je fázová synchronizace mezi kanály blokována, bude intenzita světla několikanásobně vyšší. Díky těmto rekordním intenzitám pulzů a vícekanálovému uspořádání paprsku bude budoucí zařízení XCELS schopno provádět experimenty s extrémně vysokou intenzitou, komplexním 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 zveřejnění: 26. března 2024