Niedawno Instytut Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk uruchomił Centrum eXawatt do badań nad ekstremalnym światłem (XCELS), program badawczy dla dużych urządzeń naukowych opartych na ekstremalnielasery dużej mocy. Projekt obejmuje budowę bardzolaser dużej mocyna podstawie optycznej technologii parametrycznego wzmacniania impulsów chirped w kryształach fosforanu potasowo-dideuterowego (DKDP, wzór chemiczny KD2PO4) o dużej aperturze, z oczekiwaną całkowitą mocą wyjściową 600 PW impulsów mocy szczytowej. Niniejsza praca dostarcza ważnych szczegółów i ustaleń badawczych na temat projektu XCELS i jego systemów laserowych, opisując zastosowania i potencjalne skutki związane z oddziaływaniami ultrasilnego pola światła.
Program XCELS zaproponowano w 2011 r., a jego pierwotnym celem było osiągnięcie szczytowej mocylaserwyjście impulsowe 200 PW, które obecnie zostało ulepszone do 600 PW.system laserowyopiera się na trzech kluczowych technologiach:
(1) zamiast tradycyjnej technologii Chirped Pulse Amplification (OPCPA) stosowana jest technologia optycznego parametrycznego wzmocnienia impulsów chirpedowych (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification, CPA);
(2) Wykorzystując DKDP jako ośrodek wzmocnienia, uzyskuje się dopasowanie fazowe w paśmie ultraszerokopasmowym w pobliżu długości fali 910 nm;
(3) Do pompowania wzmacniacza parametrycznego użyto lasera neodymowego o dużej aperturze i energii impulsu rzędu tysięcy dżuli.
Dopasowanie fazowe ultraszerokopasmowe jest szeroko stosowane w wielu kryształach i jest wykorzystywane w laserach femtosekundowych OPCPA. Kryształy DKDP są stosowane, ponieważ są jedynym materiałem stosowanym w praktyce, który można rozszerzyć do dziesiątek centymetrów apertury, a jednocześnie mają akceptowalne właściwości optyczne, aby wspierać wzmocnienie mocy wielo-PWlasery. Stwierdzono, że gdy kryształ DKDP jest pompowany światłem o podwójnej częstotliwości lasera szklanego ND, a długość fali nośnej wzmocnionego impulsu wynosi 910 nm, pierwsze trzy człony rozwinięcia Taylora niezgodności wektorów falowych wynoszą 0.
Rysunek 1 przedstawia schematyczny układ systemu laserowego XCELS. Przedni koniec generował ćwierkane impulsy femtosekundowe o centralnej długości fali 910 nm (1,3 na Rysunku 1) i 1054 nm impulsy nanosekundowe wstrzykiwane do lasera pompowanego OPCPA (1,1 i 1,2 na Rysunku 1). Przedni koniec zapewnia również synchronizację tych impulsów, a także wymaganą energię i parametry czasoprzestrzenne. Pośredni OPCPA działający z wyższą częstotliwością powtarzania (1 Hz) wzmacnia ćwierkany impuls do dziesiątek dżuli (2 na Rysunku 1). Impuls jest dalej wzmacniany przez Booster OPCPA do pojedynczej wiązki kilodżuli i dzielony na 12 identycznych podwiązek (4 na Rysunku 1). W ostatnich 12 OPCPA każdy z 12 ćwierkanych impulsów świetlnych jest wzmacniany do poziomu kilodżuli (5 na Rysunku 1), a następnie kompresowany przez 12 siatek kompresyjnych (GC 6 na Rysunku 1). Programowalny filtr dyspersyjny akustooptyczny jest używany w przednim końcu do precyzyjnego kontrolowania dyspersji prędkości grupowej i dyspersji wyższego rzędu, tak aby uzyskać najmniejszą możliwą szerokość impulsu. Widmo impulsów ma kształt prawie 12-rzędowego supergaussa, a szerokość pasma widmowego przy 1% wartości maksymalnej wynosi 150 nm, co odpowiada granicznej szerokości impulsu transformaty Fouriera wynoszącej 17 fs. Biorąc pod uwagę niepełną kompensację dyspersji i trudność nieliniowej kompensacji fazy we wzmacniaczach parametrycznych, oczekiwana szerokość impulsu wynosi 20 fs.
Laser XCELS będzie wykorzystywał dwa 8-kanałowe moduły podwajające częstotliwość lasera neodymowego UFL-2M (3 na rysunku 1), z których 13 kanałów będzie wykorzystywanych do pompowania Booster OPCPA i 12 końcowych OPCPA. Pozostałe trzy kanały będą wykorzystywane jako niezależne nanosekundowe kilodżule impulsoweźródła laserowedla innych eksperymentów. Ograniczona przez próg przebicia optycznego kryształów DKDP, intensywność napromieniowania pompowanego impulsu jest ustawiona na 1,5 GW/cm2 dla każdego kanału, a czas trwania wynosi 3,5 ns.
Każdy kanał lasera XCELS generuje impulsy o mocy 50 PW. Łącznie 12 kanałów zapewnia całkowitą moc wyjściową 600 PW. W głównej komorze docelowej maksymalna intensywność ogniskowania każdego kanału w idealnych warunkach wynosi 0,44×1025 W/cm2, zakładając, że do ogniskowania używane są elementy ogniskujące F/1. Jeśli impuls każdego kanału zostanie dodatkowo skompresowany do 2,6 fs za pomocą techniki postkompresji, odpowiednia moc impulsu wyjściowego zostanie zwiększona do 230 PW, co odpowiada natężeniu światła 2,0×1025 W/cm2.
Aby osiągnąć większą intensywność światła, przy mocy wyjściowej 600 PW, impulsy światła w 12 kanałach zostaną skupione w geometrii odwrotnego promieniowania dipolowego, jak pokazano na rysunku 2. Gdy faza impulsu w każdym kanale nie jest zablokowana, intensywność skupienia może osiągnąć 9×1025 W/cm2. Jeśli każda faza impulsu jest zablokowana i zsynchronizowana, spójna wypadkowa intensywność światła zostanie zwiększona do 3,2×1026 W/cm2. Oprócz głównego pomieszczenia docelowego projekt XCELS obejmuje do 10 laboratoriów użytkowników, z których każde otrzymuje jedną lub więcej wiązek do eksperymentów. Wykorzystując to niezwykle silne pole światła, projekt XCELS planuje przeprowadzić eksperymenty w czterech kategoriach: procesy elektrodynamiki kwantowej w intensywnych polach laserowych; Produkcja i przyspieszanie cząstek; Generowanie wtórnego promieniowania elektromagnetycznego; Astrofizyka laboratoryjna, procesy o wysokiej gęstości energii i badania diagnostyczne.
FIG. 2 Geometria ogniskowania 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.
Rysunek 3 przedstawia układ przestrzenny każdego obszaru funkcjonalnego systemu laserowego XCELS w budynku eksperymentalnym. Energia elektryczna, pompy próżniowe, uzdatnianie wody, oczyszczanie i klimatyzacja znajdują się w piwnicy. Całkowita powierzchnia zabudowy wynosi ponad 24 000 m2. Całkowite zużycie energii wynosi około 7,5 MW. Budynek eksperymentalny składa się z wewnętrznej pustej ramy ogólnej i sekcji zewnętrznej, z których każda jest zbudowana na dwóch odseparowanych fundamentach. Próżnia i inne systemy indukujące drgania są zainstalowane na fundamencie izolowanym od drgań, tak aby amplituda zakłóceń przekazywanych do systemu laserowego przez fundament i podporę została zredukowana do wartości mniejszej niż 10-10 g2/Hz w zakresie częstotliwości 1-200 Hz. Ponadto w hali laserowej ustawiono sieć geodezyjnych znaczników odniesienia w celu systematycznego monitorowania dryfu gruntu i sprzętu.
Projekt XCELS ma na celu stworzenie dużego ośrodka badań naukowych opartego na laserach o ekstremalnie wysokiej mocy szczytowej. Jeden kanał systemu laserowego XCELS może zapewnić skupioną intensywność światła kilkakrotnie wyższą niż 1024 W/cm2, którą można dodatkowo przekroczyć o 1025 W/cm2 dzięki technologii post-kompresji. Poprzez skupianie dipolowe impulsów z 12 kanałów w systemie laserowym można osiągnąć intensywność bliską 1026 W/cm2 nawet bez post-kompresji i blokowania fazy. Jeśli synchronizacja fazowa między kanałami zostanie zablokowana, intensywność światła będzie kilkakrotnie wyższa. Wykorzystując te rekordowe intensywności impulsów i wielokanałowy układ wiązki, przyszły ośrodek XCELS będzie mógł przeprowadzać eksperymenty z ekstremalnie wysoką intensywnością, złożonymi rozkładami pola światła i diagnozować oddziaływania za pomocą wielokanałowych wiązek laserowych i promieniowania wtórnego. Będzie to odgrywać wyjątkową rolę w dziedzinie fizyki eksperymentalnej supersilnego pola elektromagnetycznego.
Czas publikacji: 26-03-2024