Niedawno Instytut Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk zaprezentował Centrum Badań nad Światłem Ekstremalnym eXawatt (XCELS), program badawczy dla dużych urządzeń naukowych opartych na ekstremalnielasery dużej mocy. Projekt obejmuje budowę bardzolaser dużej mocyOparte na technologii optycznego, parametrycznego wzmacniania impulsów chirpedowych w kryształach fosforanu dideuteru potasu (DKDP, wzór chemiczny KD2PO4) o dużej aperturze, z oczekiwaną całkowitą mocą wyjściową impulsów 600 PW. Niniejsza praca dostarcza ważnych szczegółów i wyników badań dotyczących projektu XCELS i jego systemów laserowych, opisując zastosowania i potencjalne skutki związane z oddziaływaniami ultrasilnego pola świetlnego.
Program XCELS zaproponowano w 2011 r., początkowo stawiając sobie za cel osiągnięcie szczytowej mocylaserwyjście impulsowe 200 PW, które obecnie jest ulepszone do 600 PW. Jegosystem laserowyopiera się na trzech kluczowych technologiach:
(1) Zamiast tradycyjnej technologii wzmacniania impulsów typu Chirped Pulse (ang. Chirped Pulse Amplification, OPCPA) stosowana jest technologia optycznego parametrycznego wzmacniania impulsów typu Chirped Pulse (OPCPA);
(2) Wykorzystując DKDP jako ośrodek wzmocnienia, uzyskuje się dopasowanie fazy w paśmie ultraszerokopasmowym o długości fali wynoszącej około 910 nm;
(3) Do pompowania wzmacniacza parametrycznego użyto lasera neodymowego o dużej aperturze i energii impulsu rzędu tysięcy dżuli.
Ultraszerokopasmowe dopasowanie fazowe jest powszechnie stosowane w wielu kryształach i jest wykorzystywane w laserach femtosekundowych OPCPA. Kryształy DKDP są stosowane, ponieważ są jedynym materiałem spotykanym w praktyce, który można powiększyć do apertury kilkudziesięciu centymetrów, a jednocześnie charakteryzują się akceptowalnymi właściwościami optycznymi, umożliwiającymi wzmocnienie mocy wielostrumieniowej.laseryStwierdzono, 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 moduł generował impulsy femtosekundowe o długości fali centralnej 910 nm (1,3 na rysunku 1) oraz impulsy nanosekundowe o długości fali 1054 nm wstrzykiwane do lasera pompowanego laserem OPCPA (1,1 i 1,2 na rysunku 1). Przedni moduł zapewnia również synchronizację tych impulsów, a także wymaganą energię i parametry czasoprzestrzenne. Pośredni laser OPCPA pracujący z wyższą częstotliwością repetycji (1 Hz) wzmacnia impuls o częstotliwości ćwierć do kilkudziesięciu dżuli (2 na rysunku 1). Impuls jest dodatkowo wzmacniany przez wzmacniacz OPCPA do pojedynczej wiązki kilodżuli i dzielony na 12 identycznych podwiązek (4 na rysunku 1). W końcowym 12-kanałowym filtrze OPCPA, każdy z 12 impulsów świetlnych jest wzmacniany do poziomu kilodżuli (5 na rysunku 1), a następnie kompresowany przez 12 siatek kompresyjnych (GC równy 6 na rysunku 1). Programowalny filtr dyspersyjny akustooptyczny jest używany w interfejsie użytkownika do precyzyjnej kontroli dyspersji prędkości grupowej i dyspersji wyższego rzędu, tak aby uzyskać jak najmniejszą szerokość impulsu. Widmo impulsów ma kształt zbliżony do supergaussowskiego rzędu 12, 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 impulsy kilodżulowe.źródła laseroweW przypadku innych eksperymentów. Ograniczone progiem przebicia optycznego kryształów DKDP, natężenie napromieniowania impulsu pompowanego jest ustawione 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 warunkach idealnych wynosi 0,44×1025 W/cm², przy założeniu, że do ogniskowania używane są elementy ogniskujące F/1. Jeśli impuls każdego kanału zostanie dodatkowo skompresowany do 2,6 fs za pomocą techniki postkompresji, odpowiadająca temu moc wyjściowa impulsu wzrośnie 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 będą skupiane w geometrii odwrotnego promieniowania dipolowego, jak pokazano na rysunku 2. Gdy faza impulsów w każdym kanale nie jest zablokowana, intensywność skupienia może osiągnąć 9×1025 W/cm2. Gdy każda faza impulsów jest zablokowana i zsynchronizowana, spójne wypadkowe natężenie światła wzrośnie do 3,2×1026 W/cm2. Oprócz głównego pomieszczenia docelowego, projekt XCELS obejmuje do 10 laboratoriów użytkownika, 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.
RYS. 2 Geometria ogniskowania w głównej komorze tarczowej. Dla przejrzystości, lustro paraboliczne wiązki 6 jest ustawione na przezroczyste, a wiązki wejściowa i wyjściowa pokazują tylko dwa kanały 1 i 7.
Rysunek 3 przedstawia układ przestrzenny każdego obszaru funkcjonalnego systemu laserowego XCELS w budynku eksperymentalnym. Instalacja 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 i sekcji zewnętrznej, z których każda posadowiona jest na dwóch oddzielnych fundamentach. Systemy próżniowe i inne systemy indukujące drgania są zainstalowane na fundamencie z izolacją wibracyjną, dzięki czemu amplituda zakłóceń przekazywanych do systemu laserowego przez fundament i podporę jest 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 dryftu gruntu i sprzętu.
Projekt XCELS ma na celu stworzenie dużego ośrodka naukowo-badawczego opartego na laserach o ekstremalnie wysokiej mocy szczytowej. Jeden kanał systemu laserowego XCELS może zapewnić skupione natężenie światła kilkakrotnie wyższe niż 1024 W/cm², które może zostać dodatkowo przekroczone o 1025 W/cm² dzięki technologii postkompresji. Dzięki dipolowemu ogniskowaniu impulsów z 12 kanałów w systemie laserowym, natężenie światła może być bliskie 1026 W/cm², nawet bez postkompresji i synchronizacji fazowej. Jeśli synchronizacja fazowa między kanałami zostanie zablokowana, natężenie światła będzie kilkukrotnie wyższe. Dzięki tym rekordowym natężeniom impulsów i wielokanałowemu układowi wiązki, przyszły ośrodek XCELS będzie mógł przeprowadzać eksperymenty z ekstremalnie wysokim natężeniem, złożonymi rozkładami pola świetlnego oraz diagnozować oddziaływania za pomocą wielokanałowych wiązek laserowych i promieniowania wtórnego. Odegra to wyjątkową rolę w dziedzinie fizyki eksperymentalnej supersilnych pól elektromagnetycznych.
Czas publikacji: 26 marca 2024 r.