Niedawno Institute of Applied Physics of Russian Academy of Sciences wprowadził Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), program badawczy dla dużych urządzeń naukowych opartych na wyjątkowoLasery o dużej mocy. Projekt obejmuje budowę bardzoLaser o dużej mocyNa podstawie optycznej parametrycznej technologii amplifikacji impulsu w dużej otworu potasu fosforanu dideuterowego (DKDP, wzór chemiczny KD2PO4), z oczekiwaną całkowitą mocą wynoszącą szczytowe impulsy mocy 600 PW. Prace te zawierają ważne szczegóły i wyniki badań dotyczących projektu XCELS i jego systemów laserowych, opisując zastosowania i potencjalne skutki związane z ultra-silnymi interakcjami pola światłem.
Program XCELS został zaproponowany w 2011 r. Z początkowym celem osiągnięcia szczytowej mocylaserWyjście impulsu 200 PW, które jest obecnie aktualizowane do 600 PW. JegoSystem laserowyOpiera się na trzech kluczowych technologiach:
(1) Zamiast tradycyjnej amplifikacji impulsu stosuje się technologię optycznej amplifikacji impulsu (OPCPA) (amplifikacja impulsu, OPCPA). Technologia CPA);
(2) Stosując DKDP jako pożywkę wzmocnienia, dopasowanie fazy ultra szerokopasmowe jest realizowane w pobliżu długości fali 910 nm;
(3) Duża laser szkła neodymu o dużej aperturze z energią impulsu tysiące dżuli służy do pompowania wzmacniacza parametrycznego.
Dopasowanie fazy ultra szerokości pasma występuje szeroko w wielu kryształach i jest stosowane w laserach femtosekundowych OPCPA. Kryształy DKDP są używane, ponieważ są to jedyny materiał znaleziony w praktyce, który można wyhodować do dziesiątek centymetrów przysłony, a jednocześnie mają akceptowalne cechy optyczne do obsługi wzmocnienia mocy wielu PWLasery. Stwierdzono, że gdy kryształ DKDP jest pompowany przez światło podwójnej częstotliwości szklanego lasera ND, jeśli długość fali nośnej amplifikowanego impulsu wynosi 910 nm, pierwsze trzy warunki rozszerzenia Taylora niedopasowania wektora fali wynosi 0.
Rysunek 1 jest schematem układu laserowego XCELS. Przedni koniec wygenerował ćwierkane impulsy femtosekundowe o środkowej długości fali 910 nm (1,3 na rycinie 1) i 1054 nm nanosekundowych impulsach wstrzykniętych do lasera pompowanego OPCPA (1,1 i 1,2 na ryc. 1). Przód zapewnia również synchronizację tych impulsów, a także wymagane parametry energii i czasoprzestrzenne. Pośrednio OPCPA działające z wyższą szybkością powtarzania (1 Hz) wzmacnia ćwierkanie impulsu do dziesiątek dżuli (2 na ryc. 1). Impuls jest dalej wzmacniany przez OPCPA Booster w pojedynczą wiązkę kilodjoule'a i podzielony na 12 identycznych pod-wiązek (4 na ryc. 1). W końcowych 12 OPCPA każdy z 12 ćwierkających impulsów światła jest wzmacniany do poziomu kilodeju (5 na rycinie 1), a następnie ściskany przez 12 krat kompresyjnych (GC 6 na ryc. 1). Programowalny filtr dyspersji akustycznie jest stosowany w przedniej części do precyzyjnie kontrolowania dyspersji prędkości grupy i dyspersji wysokiego rzędu, aby uzyskać najmniejszą możliwą szerokość impulsu. Widmo impulsowe ma kształt prawie 12-rzędu Supergauss, a szerokość pasma widmowego o wartości maksymalnej wynosi 150 nm, co odpowiada szerokości impulsu transformacji Fouriera 17 FS. Biorąc pod uwagę niepełną kompensację dyspersji i trudność nieliniowej kompensacji fazowej w wzmacniaczach parametrycznych, oczekiwana szerokość impulsu wynosi 20 Fs.
Laser XCELS będzie zatrudniał dwa 8-kanałowe moduły szklane szklanego lasera Neodymu UFL-2M (3 na ryc. 1), z czego 13 kanałów zostanie użyte do pompowania Booster OPCPA i 12 końcowych OPCPA. Pozostałe trzy kanały zostaną wykorzystane jako niezależne nanosekundowe kilodoule pulsowaneŹródła laserowedo innych eksperymentów. Ograniczony przez próg rozpadu optycznego kryształów DKDP, intensywność napromieniowania impulsu pompowanego jest ustawiona na 1,5 GW/cm2 dla każdego kanału, a czas trwania wynosi 3,5 ns.
Każdy kanał lasera XCELS wytwarza impulsy o mocy 50 PW. W sumie 12 kanałów zapewnia całkowitą moc wyjściową 600 PW. W głównej komorze docelowej maksymalna intensywność skupienia każdego kanału w idealnych warunkach wynosi 0,44 × 1025 W/cm2, przy założeniu, że do skupienia stosowane są elementy ostrości f/1. Jeśli impuls każdego kanału jest dalej kompresowany do 2,6 fs za pomocą techniki po skompresji, odpowiednia moc impulsu wyjściowego zostanie zwiększona do 230 PW, co odpowiada intensywności światła 2,0 × 1025 W/cm2.
Aby osiągnąć większą intensywność światła, przy wyjściu 600 PW impulsy światła w 12 kanałach zostaną skupione w geometrii odwrotnego promieniowania dipolowego, jak pokazano na ryc. 2. Gdy faza impulsów w każdym kanale nie jest zablokowana, intensywność ostrości może osiągnąć 9 × 1025 W/cm2. Jeśli każda faza impulsu jest zablokowana i zsynchronizowana, spójna powstała intensywność światła zostanie zwiększona do 3,2 × 1026 W/cm2. Oprócz głównej sali docelowej projekt XCELS obejmuje do 10 laboratoriów użytkowników, z których każda otrzymuje jedną lub więcej belków do eksperymentów. Korzystając z tego niezwykle silnego pola światła, projekt XCels planuje przeprowadzić eksperymenty w czterech kategoriach: procesy elektrodynamiczne kwantowe w intensywnych polach laserowych; Produkcja i przyspieszenie cząstek; Wytwarzanie wtórnego promieniowania elektromagnetycznego; Astrofizyka laboratoryjna, procesy o wysokiej gęstości energii i badania diagnostyczne.
FIGA. 2 Geometria skupienia w głównej komorze docelowej. Dla przejrzystości paraboliczne lustro wiązki 6 jest ustawione na przezroczyste, a wiązki wejściowe i wyjściowe pokazują tylko dwa kanały 1 i 7
Rycina 3 pokazuje układ przestrzenny każdego obszaru funkcjonalnego systemu laserowego XCELS w budynku eksperymentalnym. W piwnicy znajdują się elektryczność, pompy próżniowe, oczyszczanie wody, oczyszczanie i klimatyzacja. Całkowity obszar budowy wynosi ponad 24 000 m2. Całkowite zużycie energii wynosi około 7,5 MW. Eksperymentalny budynek składa się z wewnętrznej pustej ramy ogólnej i sekcji zewnętrznej, każda zbudowana na dwóch oddzielonych fundamentach. Systemy próżni i innych systemów indukujących wibracje są instalowane na fundamencie izolowanym przez wibracje, tak że amplituda zaburzeń przesyłanych do systemu laserowego przez podkład i podporę jest zmniejszona do mniej niż 10-10 g2/Hz w zakresie częstotliwości 1-200 Hz. Ponadto w Laser Hall ustawiono sieć geodezyjnych markerów odniesienia w celu systematycznego monitorowania dryfu podłoża i sprzętu.
Projekt XCELS ma na celu stworzenie dużego obiektu badawczego naukowego opartego na bardzo wysokich laserach mocy szczytowej. Jeden kanał systemu laserowego XCELS może zapewnić skoncentrowaną intensywność światła kilka razy wyższą niż 1024 W/cm2, który można dalej przekroczyć o 1025 W/cm2 za pomocą technologii po kompresji. Dzięki impulsom skoncentrowanym na dipolach z 12 kanałów w układzie laserowym intensywność zbliżona do 1026 W/cm2 można osiągnąć nawet bez po sprężania i blokowania faz. Jeśli synchronizacja fazowa między kanałami jest zablokowana, intensywność światła będzie kilka razy wyższa. Korzystając z tych rekordowych intensywności impulsów i układu wiązki wielokanałowej, Future XCels Facility będzie mógł przeprowadzić eksperymenty z wyjątkowo wysokiej intensywności, złożonymi rozkładami pola światła i zdiagnozowania interakcji przy użyciu wielokanałowych wiązek laserowych i promieniowania wtórnego. Będzie to odgrywać unikalną rolę w dziedzinie super-silnej fizyki eksperymentalnej pola elektromagnetycznego.
Czas po: 26-2024