Nedavno je Institut primijenjene fizike Ruske akademije znanosti predstavio eXawatt Centar za proučavanje ekstremne svjetlosti (XCELS), istraživački program za velike znanstvene uređaje temeljene na ekstremnolaseri velike snageProjekt uključuje izgradnju vrlolaser velike snagetemeljeno na optičkoj parametarskoj tehnologiji pojačanja cvrkutavih impulsa u kristalima kalijevog dideuterijevog fosfata (DKDP, kemijska formula KD2PO4) velikog otvora, s očekivanim ukupnim izlazom od 600 PW impulsa vršne snage. Ovaj rad pruža važne detalje i istraživačke nalaze o projektu XCELS i njegovim laserskim sustavima, opisujući primjene i potencijalne utjecaje povezane s interakcijama ultra-jakih svjetlosnih polja.
Program XCELS predložen je 2011. godine s početnim ciljem postizanja vršne snagelaserimpulsni izlaz od 200 PW, koji je trenutno nadograđen na 600 PW.laserski sustavoslanja se na tri ključne tehnologije:
(1) Umjesto tradicionalne CPA tehnologije (optičko parametarsko pojačanje cvrkutavog impulsa, OPCPA) koristi se tehnologija optičkog parametarskog pojačanja cvrkutavog impulsa;
(2) Korištenjem DKDP-a kao medija za pojačanje, ultraširokopojasno fazno usklađivanje ostvaruje se blizu valne duljine od 910 nm;
(3) Za pumpanje parametarskog pojačala koristi se neodimijski stakleni laser velikog otvora s energijom impulsa od tisuća džula.
Ultraširokopojasno fazno usklađivanje široko se nalazi u mnogim kristalima i koristi se u OPCPA femtosekundnim laserima. DKDP kristali se koriste jer su jedini materijal koji se nalazi u praksi i koji se može uzgajati do desetaka centimetara otvora, a istovremeno imati prihvatljive optičke kvalitete za podršku pojačanja višestruke PW snage.laseriUtvrđeno je da kada se DKDP kristal pumpa svjetlošću dvostruke frekvencije ND staklenog lasera, ako je valna duljina nosača pojačanog impulsa 910 nm, prva tri člana Taylorove ekspanzije neusklađenosti valnog vektora su 0.
Slika 1 je shematski prikaz XCELS laserskog sustava. Prednji kraj generirao je cvrkutave femtosekundne impulse s centralnom 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 tih impulsa, kao i potrebnu energiju i prostorno-vremenske parametre. Među-OPCPA koji radi na većoj frekvenciji ponavljanja (1 Hz) pojačava cvrkutavi impuls na desetke džula (2 na slici 1). Impuls se dalje pojačava pomoću Booster OPCPA u jedan kilodžulani snop i dijeli na 12 identičnih podsnopova (4 na slici 1). U konačnih 12 OPCPA, svaki od 12 cvrkutavih svjetlosnih impulsa pojačava se na razinu kilodžula (5 na slici 1), a zatim komprimira pomoću 12 kompresijskih rešetki (GC od 6 na slici 1). Akustooptički programabilni disperzijski filtar koristi se u prednjem dijelu za preciznu kontrolu disperzije grupne brzine i disperzije višeg reda, kako bi se postigla najmanja moguća širina impulsa. Spektar impulsa ima oblik gotovo 12. reda supergaussa, a spektralna širina pojasa na 1% maksimalne vrijednosti iznosi 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 će koristiti 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 završnog OPCPA. Preostala tri kanala će se koristiti kao neovisni nanosekundni kilodžuli impulsi.laserski izvoriza ostale eksperimente. Ograničen optičkim pragom proboja DKDP kristala, intenzitet ozračivanja 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 osigurava ukupnu izlaznu snagu od 600 PW. U glavnoj ciljnoj komori, maksimalni intenzitet fokusiranja svakog kanala pod idealnim uvjetima iznosi 0,44 × 10²⁶ W/cm², uz pretpostavku da se za fokusiranje koriste elementi za fokusiranje F/1. Ako se impuls 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 × 10²⁶ W/cm².
Kako bi se postigao veći intenzitet svjetlosti, pri izlaznoj snazi 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 doseći 9 × 10²⁶ W/cm². Ako je svaka faza impulsa zaključana i sinkronizirana, koherentni rezultirajući intenzitet svjetlosti povećat će se na 3,2 × 10²⁶ W/cm². Osim glavne ciljne prostorije, projekt XCELS uključuje do 10 korisničkih laboratorija, od kojih svaki prima jednu ili više zraka za eksperimente. Koristeći ovo izuzetno jako svjetlosno polje, projekt XCELS planira provoditi eksperimente u četiri kategorije: procesi kvantne elektrodinamike u intenzivnim laserskim poljima; proizvodnja i ubrzanje čestica; generiranje sekundarnog elektromagnetskog zračenja; laboratorijska astrofizika, procesi visoke gustoće energije i dijagnostička istraživanja.
SL. 2 Geometrija fokusiranja u glavnoj ciljnoj komori. Radi jasnoće, parabolično zrcalo snopa 6 postavljeno je na prozirnost, a ulazni i izlazni snopovi prikazuju samo dva kanala 1 i 7.
Slika 3 prikazuje prostorni raspored svakog funkcionalnog područja XCELS laserskog sustava u eksperimentalnoj zgradi. Električna energija, vakuumske pumpe, obrada vode, pročišćavanje i klimatizacija nalaze se u podrumu. Ukupna površina izgradnje je veća od 24 000 m2. Ukupna potrošnja energije je oko 7,5 MW. Eksperimentalna zgrada sastoji se od unutarnjeg šupljeg okvira i vanjskog dijela, svaki izgrađen na dva odvojena temelja. Vakuumski i drugi sustavi za induciranje vibracija instalirani su na vibracijski izoliranom temelju, tako da je amplituda poremećaja koji se prenosi na laserski sustav kroz temelj i nosač smanjena na manje od 10-10 g2/Hz u frekvencijskom rasponu od 1-200 Hz. Osim toga, u laserskoj dvorani postavljena je mreža geodetskih referentnih markera za sustavno praćenje pomicanja tla i opreme.
Projekt XCELS ima za cilj stvaranje velikog znanstveno-istraživačkog centra temeljenog na laserima izuzetno visoke vršne snage. Jedan kanal XCELS laserskog sustava može osigurati fokusirani intenzitet svjetlosti nekoliko puta veći od 1024 W/cm2, koji se može dodatno premašiti za 1025 W/cm2 tehnologijom postkompresije. Dipolnim fokusiranjem impulsa iz 12 kanala u laserskom sustavu može se postići intenzitet blizak 1026 W/cm2 čak i bez postkompresije i faznog zaključavanja. Ako je fazna sinkronizacija između kanala zaključana, intenzitet svjetlosti bit će nekoliko puta veći. Koristeći ove rekordne intenzitete impulsa i višekanalni raspored snopa, budući XCELS centar moći će izvoditi eksperimente s izuzetno visokim intenzitetom, složenim raspodjelama svjetlosnog polja i dijagnosticirati interakcije pomoću višekanalnih laserskih snopova i sekundarnog zračenja. To će igrati jedinstvenu ulogu u području eksperimentalne fizike superjakog elektromagnetskog polja.
Vrijeme objave: 26. ožujka 2024.