Recent, Institutul de Fizică Aplicată al Academiei Ruse de Științe a introdus Centrul eXawatt pentru Studiul Luminii Extreme (XCELS), un program de cercetare pentru dispozitive științifice mari bazate pe...lasere de mare putereProiectul include construirea unei foartelaser de mare puterebazat pe tehnologia de amplificare a impulsurilor parametrice optice cu ciripire în cristale de fosfat de dideuteriu de potasiu (DKDP, formula chimică KD2PO4) cu apertură mare, cu o putere totală așteptată de 600 de impulsuri de putere maximă PW. Această lucrare oferă detalii importante și rezultate ale cercetării despre proiectul XCELS și sistemele sale laser, descriind aplicațiile și impactul potențial legat de interacțiunile câmpului luminos ultra-puternic.
Programul XCELS a fost propus în 2011 cu obiectivul inițial de a atinge o putere maximălaserieșire în impulsuri de 200 PW, care este în prezent actualizată la 600 PW.sistem laserse bazează pe trei tehnologii cheie:
(1) Tehnologia de amplificare a impulsurilor cu semnale parametrice optice (OPCPA) este utilizată în locul tehnologiei tradiționale de amplificare a impulsurilor cu semnale parametrice (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA;
(2) Folosind DKDP ca mediu de amplificare, se realizează o potrivire de fază ultra-wideband în apropierea lungimii de undă de 910 nm;
(3) Un laser din sticlă de neodim cu apertură mare, cu o energie a impulsurilor de mii de jouli, este utilizat pentru pomparea unui amplificator parametric.
Potrivirea de fază în bandă ultra-largă se găsește pe scară largă în multe cristale și este utilizată în laserele femtosecunde OPCPA. Cristalele DKDP sunt utilizate deoarece sunt singurul material găsit în practică care poate fi crescut până la zeci de centimetri de apertură și, în același timp, are calități optice acceptabile pentru a susține amplificarea puterii multi-PW.lasereSe constată că atunci când cristalul DKDP este pompat de lumina cu frecvență dublă a laserului din sticlă ND, dacă lungimea de undă purtătoare a impulsului amplificat este de 910 nm, primii trei termeni ai expansiunii Taylor a nepotrivirii vectorului de undă sunt 0.
Figura 1 este o schemă a sistemului laser XCELS. Capătul frontal a generat impulsuri femtosecunde cu o lungime de undă centrală de 910 nm (1,3 în Figura 1) și impulsuri de 1054 nm nanosecunde injectate în laserul pompat de OPCPA (1,1 și 1,2 în Figura 1). Capătul frontal asigură, de asemenea, sincronizarea acestor impulsuri, precum și parametrii energetici și spatiotemporali necesari. Un OPCPA intermediar care funcționează la o rată de repetiție mai mare (1 Hz) amplifică impulsul cu impulsuri la zeci de jouli (2 în Figura 1). Impulsul este amplificat în continuare de către OPCPA Booster într-un singur fascicul de kilojouli și împărțit în 12 subfascicule identice (4 în Figura 1). În ultimele 12 OPCPA, fiecare dintre cele 12 impulsuri de lumină cu impulsuri este amplificat la nivelul kilojoulilor (5 în Figura 1) și apoi comprimat de 12 rețele de compresie (GC de 6 în Figura 1). Filtrul de dispersie acusto-optic programabil este utilizat în partea frontală pentru a controla cu precizie dispersia vitezei de grup și dispersia de ordin înalt, astfel încât să se obțină cea mai mică lățime a impulsului posibilă. Spectrul impulsului are o formă de aproape supergauss de ordinul 12, iar lățimea de bandă spectrală la 1% din valoarea maximă este de 150 nm, corespunzând lățimii limită a impulsului de 17 fs conform transformării Fourier. Având în vedere compensarea incompletă a dispersiei și dificultatea compensării neliniare a fazei în amplificatoarele parametrice, lățimea așteptată a impulsului este de 20 fs.
Laserul XCELS va utiliza două module de dublare a frecvenței laser din sticlă de neodim UFL-2M cu 8 canale (3 în Figura 1), dintre care 13 canale vor fi utilizate pentru pomparea OPCPA Booster și 12 OPCPA final. Cele trei canale rămase vor fi utilizate ca impulsuri independente de kilojoule nanosecunde.surse laserpentru alte experimente. Limitată de pragul de rupere optică al cristalelor DKDP, intensitatea de iradiere a impulsului pompat este setată la 1,5 GW/cm2 pentru fiecare canal, iar durata este de 3,5 ns.
Fiecare canal al laserului XCELS produce impulsuri cu o putere de 50 PW. Un total de 12 canale oferă o putere totală de ieșire de 600 PW. În camera țintă principală, intensitatea maximă de focalizare a fiecărui canal în condiții ideale este de 0,44×10²⁵ W/cm², presupunând că se utilizează elemente de focalizare F/1 pentru focalizare. Dacă impulsul fiecărui canal este comprimat în continuare la 2,6 fs prin tehnica post-compresiei, puterea impulsului de ieșire corespunzător va fi crescută la 230 PW, corespunzând unei intensități luminoase de 2,0×10²⁵ W/cm².
Pentru a obține o intensitate luminoasă mai mare, la o putere de ieșire de 600 PW, impulsurile luminoase din cele 12 canale vor fi focalizate în geometria radiației dipol invers, așa cum se arată în Figura 2. Când faza impulsului din fiecare canal nu este blocată, intensitatea focalizării poate ajunge la 9×10²⁵ W/cm². Dacă fiecare fază a impulsului este blocată și sincronizată, intensitatea luminoasă rezultantă coerentă va fi crescută la 3,2×10²⁶ W/cm². Pe lângă camera țintă principală, proiectul XCELS include până la 10 laboratoare utilizatori, fiecare primind unul sau mai multe fascicule pentru experimente. Folosind acest câmp luminos extrem de puternic, proiectul XCELS intenționează să efectueze experimente în patru categorii: procese de electrodinamică cuantică în câmpuri laser intense; Producerea și accelerarea particulelor; Generarea de radiații electromagnetice secundare; Astrofizică de laborator, procese cu densitate mare de energie și cercetare diagnostică.
FIG. 2 Geometria focalizării în camera țintei principale. Pentru claritate, oglinda parabolică a fasciculului 6 este setată pe transparentă, iar fasciculele de intrare și ieșire arată doar două canale, 1 și 7.
Figura 3 prezintă dispunerea spațială a fiecărei zone funcționale a sistemului laser XCELS din clădirea experimentală. Electricitatea, pompele de vid, tratarea apei, purificarea și aerul condiționat sunt amplasate în subsol. Suprafața totală construită este de peste 24.000 m2. Consumul total de energie este de aproximativ 7,5 MW. Clădirea experimentală constă dintr-o structură internă goală și o secțiune externă, fiecare construită pe două fundații decuplate. Sistemele de vid și alte sisteme de inducere a vibrațiilor sunt instalate pe fundația izolată de vibrații, astfel încât amplitudinea perturbației transmise sistemului laser prin fundație și suport este redusă la mai puțin de 10-10 g2/Hz în intervalul de frecvență de 1-200 Hz. În plus, o rețea de markeri geodezici de referință este instalată în sala laser pentru a monitoriza sistematic deviația terenului și a echipamentelor.
Proiectul XCELS își propune să creeze o instalație de cercetare științifică de amploare, bazată pe lasere cu putere de vârf extrem de mare. Un canal al sistemului laser XCELS poate furniza o intensitate a luminii focalizate de câteva ori mai mare de 1024 W/cm2, care poate fi depășită și cu 1025 W/cm2 cu tehnologia post-compresie. Prin focalizarea dipolului a impulsurilor de la 12 canale din sistemul laser, se poate obține o intensitate apropiată de 1026 W/cm2 chiar și fără post-compresie și blocare de fază. Dacă sincronizarea de fază dintre canale este blocată, intensitatea luminii va fi de câteva ori mai mare. Folosind aceste intensități record ale impulsurilor și configurația fasciculului multicanal, viitoarea instalație XCELS va putea efectua experimente cu intensitate extrem de mare, distribuții complexe ale câmpului luminos și va putea diagnostica interacțiuni folosind fascicule laser multicanal și radiații secundare. Aceasta va juca un rol unic în domeniul fizicii experimentale a câmpurilor electromagnetice super-puternice.
Data publicării: 26 martie 2024