Niedawno Instytut Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk uruchomił eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), program badawczy dotyczący dużych urządzeń naukowych oparty na niezwyklelasery dużej mocy. Projekt obejmuje budowę bardzolasera dużej mocyw oparciu o technologię optycznego parametrycznego wzmacniania impulsów chirped w kryształach fosforanu dideuteru potasu (DKDP, wzór chemiczny KD2PO4) o dużej aperturze, przy oczekiwanej całkowitej mocy impulsów o mocy szczytowej 600 PW. Niniejsza praca dostarcza ważnych szczegółów i wyników badań dotyczących projektu XCELS i jego systemów laserowych, opisując zastosowania i potencjalne skutki związane z interakcjami ultrasilnego pola świetlnego.
Program XCELS został zaproponowany w 2011 roku, a jego pierwotnym celem było osiągnięcie mocy szczytowejlasermoc wyjściowa impulsów 200 PW, obecnie zmodernizowana do 600 PW. Jegoukład laserowyopiera się na trzech kluczowych technologiach:
(1) Zamiast tradycyjnego wzmacniania impulsów chirpedowych (OPCPA) zastosowano technologię optycznego parametrycznego wzmacniania impulsów chirped (OPCPA). CPA) technologia;
(2) Wykorzystując DKDP jako medium wzmacniające, ultraszerokopasmowe dopasowanie fazowe jest realizowane w pobliżu długości fali 910 nm;
(3) Do pompowania wzmacniacza parametrycznego używany jest laser ze szkła neodymowego o dużej aperturze i energii impulsu rzędu tysięcy dżuli.
Ultraszerokopasmowe dopasowanie fazowe jest szeroko stosowane w wielu kryształach i jest stosowane w laserach femtosekundowych OPCPA. Kryształy DKDP są stosowane, ponieważ są jedynym materiałem spotykanym w praktyce, który można hodować do kilkudziesięciu centymetrów apertury, a jednocześnie mają akceptowalne właściwości optyczne umożliwiające wzmocnienie mocy wielu PWlasery. Stwierdzono, że gdy kryształ DKDP jest pompowany światłem o podwójnej częstotliwości lasera szklanego ND, jeśli długość fali nośnej wzmocnionego impulsu wynosi 910 nm, pierwsze trzy wyrazy ekspansji Taylora niedopasowania wektora falowego wynoszą 0.
Rysunek 1 przedstawia schematyczny układ systemu laserowego XCELS. Część czołowa generowała ćwierkające impulsy femtosekundowe o środkowej długości fali 910 nm (1,3 na rysunku 1) i impulsy nanosekundowe o długości 1054 nm wprowadzone do pompowanego lasera OPCPA (1,1 i 1,2 na rysunku 1). Front-end zapewnia również synchronizację tych impulsów oraz wymagane parametry energetyczne i 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 w pojedynczą wiązkę kilodżulową i dzielony na 12 identycznych podwiązek (4 na rysunku 1). W końcowych 12 OPCPA każdy z 12 ćwierkanych impulsów świetlnych jest wzmacniany do poziomu kilodżuli (5 na ryc. 1), a następnie kompresowany przez 12 siatek kompresyjnych (GC = 6 na ryc. 1). Akustooptyczny, programowalny filtr dyspersyjny znajduje się na przednim końcu, aby precyzyjnie kontrolować dyspersję prędkości grupowej i dyspersję wysokiego rzędu, tak aby uzyskać możliwie najmniejszą szerokość impulsu. Widmo impulsów ma kształt supergausa prawie 12. rzędu, a szerokość pasma widmowego przy 1% wartości maksymalnej wynosi 150 nm, co odpowiada granicznej szerokości impulsu transformacji 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 ze szkła neodymowego UFL-2M (3 na rysunku 1), z których 13 kanałów zostanie wykorzystanych do pompowania Booster OPCPA i 12 końcowych OPCPA. Pozostałe trzy kanały będą wykorzystywane jako niezależne impulsy nanosekundowe kilodżuloweźródła laserowedo innych eksperymentów. Ograniczona progiem przebicia optycznego kryształów DKDP, intensywność naświetlania pompowanego impulsu 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. Łącznie 12 kanałów zapewnia całkowitą moc wyjściową 600 PW. W komorze tarczy głównej maksymalna intensywność ogniskowania każdego kanału w idealnych warunkach wynosi 0,44×1025 W/cm2, przy założeniu, że do ustawiania ostrości wykorzystywane są elementy ogniskujące F/1. Jeśli impuls każdego kanału zostanie dalej skompresowany do 2,6 fs za pomocą techniki kompresji końcowej, odpowiednia moc impulsu wyjściowego zostanie zwiększona do 230 PW, co odpowiada natężeniu światła 2,0 × 1025 W/cm2.
Aby uzyskać większe natężenie światła, przy mocy wyjściowej 600 PW, impulsy świetlne w 12 kanałach zostaną skupione w geometrii odwrotnego promieniowania dipolowego, jak pokazano na rysunku 2. Jeżeli faza impulsu w każdym kanale nie jest zablokowana, intensywność ogniskowania może osiągnąć 9×1025 W/cm2. Jeżeli każda faza impulsu jest zablokowana i zsynchronizowana, spójne wynikowe natężenie światła zostanie zwiększone 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 świetlne, w ramach projektu XCELS planuje się przeprowadzić eksperymenty w czterech kategoriach: procesy elektrodynamiki kwantowej w intensywnych polach laserowych; Produkcja i przyspieszanie cząstek; Generacja wtórnego promieniowania elektromagnetycznego; Astrofizyka laboratoryjna, procesy o wysokiej gęstości energii i badania diagnostyczne.
FIGA. 2 Geometria ogniskowania w komorze celu głównego. Dla przejrzystości zwierciadło paraboliczne 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 doświadczalnym. Energia elektryczna, pompy próżniowe, uzdatnianie wody, oczyszczanie i klimatyzacja znajdują się w piwnicy. Całkowita powierzchnia zabudowy wynosi ponad 24 000 m2. Całkowity pobór mocy wynosi około 7,5 MW. Budynek doświadczalny składa się z wewnętrznej pustej ramy ogólnej i części zewnętrznej, każdy zbudowany na dwóch oddzielnych fundamentach. Układy próżniowe i inne układy wibracyjne instaluje się na fundamencie wibroizolowanym tak, aby amplituda zakłócenia przekazywanego do układu laserowego przez fundament i podporę została zredukowana do wartości poniżej 10-10 g2/Hz w zakresie częstotliwości 1-200 Hz. Dodatkowo w hali laserowej ustawiono sieć geodezyjnych znaczników referencyjnych w celu systematycznego monitorowania przesunięć gruntu i sprzętu.
Projekt XCELS ma na celu stworzenie dużego ośrodka naukowo-badawczego opartego na laserach o niezwykle dużej mocy szczytowej. Jeden kanał systemu laserowego XCELS może zapewnić skupione światło o natężeniu kilkukrotnie wyższym niż 1024 W/cm2, które w przypadku technologii postkompresji może zostać dodatkowo przekroczone o 1025 W/cm2. Dzięki impulsom ogniskującym dipol z 12 kanałów w systemie laserowym można osiągnąć intensywność bliską 1026 W/cm2 nawet bez dodatkowej kompresji i blokowania fazy. Jeśli synchronizacja fazowa pomiędzy kanałami jest zablokowana, natężenie światła będzie kilkukrotnie większe. Wykorzystując te rekordowe intensywności impulsów i wielokanałowy układ wiązek, przyszła placówka XCELS będzie w stanie przeprowadzać eksperymenty z niezwykle wysokim natężeniem i złożonymi rozkładami pola świetlnego oraz diagnozować interakcje za pomocą wielokanałowych wiązek laserowych i promieniowania wtórnego. Odegra to wyjątkową rolę w dziedzinie fizyki eksperymentalnej supersilnego pola elektromagnetycznego.
Czas publikacji: 26 marca 2024 r