Nedavno je Institut za primijenjenu fiziku Ruske akademije znanosti predstavio eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), istraživački program za velike znanstvene uređaje temeljen na ekstremnolaseri velike snage. Projekt uključuje izgradnju vrlolaser velike snagetemelji se na tehnologiji optičkog parametarskog pojačanja chirped pulsa u kristalima kalijevog dideuterij fosfata (DKDP, kemijska formula KD2PO4) s velikim otvorom blende, s očekivanim ukupnim izlazom od 600 PW impulsa vršne snage. Ovaj rad pruža važne pojedinosti i nalaze istraživanja o projektu XCELS i njegovim laserskim sustavima, opisujući primjene i potencijalne utjecaje povezane s interakcijama ultra-jakog svjetlosnog polja.
Program XCELS predložen je 2011. s početnim ciljem postizanja vršne snagelaserimpulsni izlaz od 200 PW, koji je trenutno nadograđen na 600 PW. Njegovolaserski sustavoslanja se na tri ključne tehnologije:
(1) Tehnologija optičkog parametarskog pojačanja impulsnog signala (OPCPA) koristi se umjesto tradicionalnog pojačanja pulsnog signala (pojačanje impulsnog signala, OPCPA). CPA) tehnologija;
(2) Korištenjem DKDP-a kao medija za pojačanje, ultraširokopojasno usklađivanje faze ostvaruje se blizu valne duljine od 910 nm;
(3) Neodimijski stakleni laser velikog otvora s energijom pulsa od tisuća džula koristi se za pumpanje parametarskog pojačala.
Ultraširokopojasno fazno usklađivanje široko se nalazi u mnogim kristalima i koristi se u OPCPA femtosekundnim laserima. DKDP kristali se koriste jer su oni jedini materijal koji se može naći u praksi koji se može uzgojiti na desetke centimetara otvora blende, a istovremeno imaju prihvatljive optičke kvalitete za podršku pojačanju multi-PW snagelaseri. Utvrđeno je da kada se DKDP kristal pumpa svjetlom dvostruke frekvencije staklenog ND lasera, ako je valna duljina nosača pojačanog pulsa 910 nm, prva tri člana Taylorove ekspanzije neusklađenosti valnog vektora su 0.
Slika 1 je shematski izgled laserskog sustava XCELS. Prednji kraj generirao je femtosekundne impulse s cvrkutom sa središnjom valnom duljinom od 910 nm (1,3 na slici 1) i nanosekundne impulse od 1054 nm ubrizgane u OPCPA pumpani laser (1,1 i 1,2 na slici 1). Prednji kraj također osigurava sinkronizaciju ovih impulsa kao i potrebne energetske i prostorno-vremenske parametre. Srednji OPCPA koji radi pri višoj stopi ponavljanja (1 Hz) pojačava čirpirani puls na desetke džula (2 na slici 1). Puls dodatno pojačava Booster OPCPA u jednu kilodžulsku zraku i dijeli je na 12 identičnih pod-zraka (4 na slici 1). U konačnih 12 OPCPA, svaki od 12 cvrkutavih svjetlosnih impulsa pojačava se do razine kilodžula (5 na slici 1) i zatim komprimira s 12 kompresijskih rešetki (GC od 6 na slici 1). Akustično-optički programabilni disperzijski filtar koristi se na prednjem dijelu za preciznu kontrolu disperzije grupne brzine i disperzije visokog reda, kako bi se dobila najmanja moguća širina impulsa. Spektar impulsa ima oblik skoro supergaussa 12. reda, a spektralna širina pojasa na 1% maksimalne vrijednosti je 150 nm, što odgovara graničnoj širini impulsa Fourierove transformacije od 17 fs. Uzimajući u obzir nepotpunu kompenzaciju disperzije i poteškoće nelinearne fazne kompenzacije u parametarskim pojačalima, očekivana širina impulsa je 20 fs.
XCELS laser koristit će dva 8-kanalna UFL-2M neodimijska staklena laserska modula za udvostručenje frekvencije (3 na slici 1), od kojih će se 13 kanala koristiti za pumpanje Booster OPCPA i 12 konačnih OPCPA. Preostala tri kanala koristit će se kao nezavisni nanosekundni kilodžulski pulslaserski izvoriza druge eksperimente. Ograničen pragom optičkog sloma DKDP kristala, intenzitet zračenja pumpanog impulsa postavljen je na 1,5 GW/cm2 za svaki kanal, a trajanje je 3,5 ns.
Svaki kanal XCELS lasera proizvodi impulse snage 50 PW. Ukupno 12 kanala daje ukupnu izlaznu snagu od 600 PW. U glavnoj ciljnoj komori, maksimalni intenzitet fokusiranja svakog kanala u idealnim uvjetima je 0,44×1025 W/cm2, uz pretpostavku da se za fokusiranje koriste F/1 elementi za fokusiranje. Ako se puls svakog kanala dodatno komprimira na 2,6 fs tehnikom naknadne kompresije, odgovarajuća izlazna snaga impulsa povećat će se na 230 PW, što odgovara intenzitetu svjetlosti od 2,0×1025 W/cm2.
Da bi se postigao veći intenzitet svjetlosti, pri izlazu od 600 PW, svjetlosni impulsi u 12 kanala bit će fokusirani u geometriji inverznog dipolnog zračenja, kao što je prikazano na slici 2. Kada faza impulsa u svakom kanalu nije zaključana, intenzitet fokusa može dosežu 9×1025 W/cm2. Ako je svaka faza impulsa zaključana i sinkronizirana, koherentni rezultantni intenzitet svjetlosti povećat će se na 3,2×1026 W/cm2. Osim glavne ciljne sobe, projekt XCELS uključuje do 10 korisničkih laboratorija, od kojih svaki prima jednu ili više zraka za eksperimente. Koristeći ovo iznimno jako svjetlosno polje, projekt XCELS planira provesti eksperimente u četiri kategorije: kvantni elektrodinamički procesi u intenzivnim laserskim poljima; Proizvodnja i ubrzanje čestica; Stvaranje sekundarnog elektromagnetskog zračenja; Laboratorijska astrofizika, procesi visoke gustoće energije i dijagnostička istraživanja.
SLIKA 2 Geometrija fokusiranja u glavnoj ciljnoj komori. Radi jasnoće, parabolično zrcalo zrake 6 postavljeno je na prozirno, a ulazne i izlazne zrake prikazuju samo dva kanala 1 i 7.
Slika 3 prikazuje prostorni raspored svakog funkcionalnog područja laserskog sustava XCELS u eksperimentalnoj zgradi. Struja, vakum pumpe, tretman vode, pročišćavanje i klimatizacija nalaze se u suterenu. Ukupna građevinska površina iznosi više od 24.000 m2. Ukupna potrošnja energije je oko 7,5 MW. Eksperimentalna zgrada sastoji se od unutarnjeg šupljeg ukupnog okvira i vanjskog dijela, od kojih je svaki izgrađen na dva odvojena temelja. Vakuumski i drugi sustavi za izazivanje vibracija ugrađeni su na temelje izolirane vibracijama, tako da je amplituda smetnje koja se prenosi na laserski sustav kroz temelj i nosač smanjena na manje od 10-10 g2/Hz u frekvencijskom području 1-200 Hz. Osim toga, u laserskoj dvorani postavljena je mreža geodetskih referentnih oznaka za sustavno praćenje pomicanja tla i opreme.
Projekt XCELS ima za cilj stvoriti veliko znanstveno istraživačko postrojenje temeljeno na laserima ekstremno velike vršne snage. Jedan kanal XCELS laserskog sustava može pružiti fokusirani intenzitet svjetlosti nekoliko puta veći od 1024 W/cm2, koji se može dodatno premašiti za 1025 W/cm2 s postkompresijskom tehnologijom. Impulsima dipolnog fokusiranja iz 12 kanala u laserskom sustavu može se postići intenzitet blizu 1026 W/cm2 čak i bez naknadne kompresije i faznog zaključavanja. Ako je fazna sinkronizacija između kanala zaključana, intenzitet svjetla će biti nekoliko puta veći. Koristeći ove rekordne intenzitete pulsa i višekanalni raspored zraka, buduće postrojenje XCELS moći će izvoditi eksperimente s iznimno visokim intenzitetom, složenom distribucijom svjetlosnog polja i dijagnosticirati interakcije korištenjem višekanalnih laserskih zraka i sekundarnog zračenja. Ovo će igrati jedinstvenu ulogu u polju eksperimentalne fizike super-jakog elektromagnetskog polja.
Vrijeme objave: 26. ožujka 2024