Recent, Institutul de Fizică Aplicată al Academiei Ruse de Științe a introdus eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), un program de cercetare pentru dispozitive științifice mari, bazat pelasere de mare putere. Proiectul include construirea unui foartelaser de mare puterebazat pe tehnologia de amplificare a impulsurilor optice parametrice în cristale de fosfat dideuteriu de potasiu cu deschidere mare (DKDP, formula chimică KD2PO4), cu o ieșire totală așteptată de 600 impulsuri de putere de vârf PW. Această lucrare oferă detalii importante și constatări ale cercetării despre proiectul XCELS și sistemele sale laser, descriind aplicațiile și impacturile potențiale legate de interacțiunile câmpului luminos ultra-puternic.
Programul XCELS a fost propus în 2011 cu scopul inițial de a atinge o putere de vârflaserieșire de impuls de 200 PW, care este în prezent actualizată la 600 PW. Salesistem laserse bazează pe trei tehnologii cheie:
(1) Tehnologia Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) este utilizată în loc de tradițională Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). tehnologie CPA);
(2) Folosind DKDP ca mediu de câștig, potrivirea de fază în bandă ultra largă este realizată aproape de lungimea de undă de 910 nm;
(3) Un laser din sticlă de neodim cu deschidere mare, cu o energie a impulsului de mii de jouli este utilizat pentru a pompa un 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 folosite deoarece sunt singurul material găsit în practică care poate fi crescut la zeci de centimetri de deschidere și, în același timp, au calități optice acceptabile pentru a susține amplificarea puterii multi-PWlasere. Se 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 un aspect schematic al sistemului laser XCELS. Partea frontală a generat impulsuri de femtosecundă ciripit cu o lungime de undă centrală de 910 nm (1,3 în Figura 1) și impulsuri de 1054 nm nanosecunde injectate în laserul pompat OPCPA (1,1 și 1,2 în Figura 1). Partea frontală asigură, de asemenea, sincronizarea acestor impulsuri, precum și parametrii energetici și spațio-temporali necesari. Un OPCPA intermediar care funcționează la o rată de repetiție mai mare (1 Hz) amplifică pulsul ciripit la zeci de jouli (2 în Figura 1). Pulsul este amplificat în continuare de Booster OPCPA într-un singur fascicul de kilojoule și împărțit în 12 sub-fasciuri identice (4 în Figura 1). În ultimele 12 OPCPA, fiecare dintre cele 12 impulsuri de lumină ciripit este amplificat la nivelul kilojulilor (5 în Figura 1) și apoi comprimat de 12 rețele de compresie (GC de 6 în Figura 1). Filtrul de dispersie programabil acusto-optic este utilizat în partea frontală pentru a controla cu precizie dispersia vitezei grupului și dispersia de ordin înalt, astfel încât să se obțină cea mai mică lățime posibilă a impulsului. Spectrul de puls 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 transformare Fourier de 17 fs. Având în vedere compensarea incompletă a dispersiei și dificultatea compensării fazei neliniare în amplificatoarele parametrice, lățimea așteptată a impulsului este de 20 fs.
Laserul XCELS va folosi două module de dublare a frecvenței laser din sticlă neodim UFL-2M cu 8 canale (3 în Figura 1), dintre care 13 canale vor fi utilizate pentru pomparea Booster-ului OPCPA și 12 OPCPA finale. Celelalte trei canale vor fi utilizate ca impulsuri independente de nanosecunde kilojoulesurse laserpentru alte experimente. Limitată de pragul de defalcare optică a cristalelor DKDP, intensitatea de iradiere a impulsului pompat este setată la 1,5 GW/cm2 pentru fiecare canal și 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 elementele de focalizare F/1 sunt utilizate pentru focalizare. Dacă pulsul fiecărui canal este comprimat în continuare la 2,6 fs prin tehnica de post-compresie, puterea corespunzătoare a impulsului de ieșire va fi crescută la 230 PW, corespunzătoare intensității luminii de 2,0×1025 W/cm2.
Pentru a obține o intensitate mai mare a luminii, la ieșire de 600 PW, impulsurile de lumină din cele 12 canale vor fi focalizate în geometria radiației dipol invers, așa cum se arată în Figura 2. Când faza pulsului din fiecare canal nu este blocată, intensitatea focalizării poate ajunge la 9×1025 W/cm2. Dacă fiecare fază de impuls este blocată și sincronizată, intensitatea coerentă a luminii rezultată va fi crescută la 3,2×1026 W/cm2. Pe lângă camera țintă principală, proiectul XCELS include până la 10 laboratoare de utilizatori, fiecare primind unul sau mai multe fascicule pentru experimente. Folosind acest câmp luminos extrem de puternic, proiectul XCELS plănuiește 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 de diagnosticare.
SMOCHIN. 2 Geometria de focalizare în camera țintă principală. Pentru claritate, oglinda parabolică a fasciculului 6 este setată la transparentă, iar fasciculele de intrare și de ieșire arată doar două canale 1 și 7
Figura 3 prezintă aspectul spațial al fiecărei zone funcționale a sistemului laser XCELS din clădirea experimentală. Electricitatea, pompele de vid, tratarea apei, epurarea si aerul conditionat sunt amplasate la subsol. Suprafața totală de construcție este de peste 24.000 m2. Consumul total de energie este de aproximativ 7,5 MW. Clădirea experimentală constă dintr-un cadru de ansamblu interior gol și o secțiune exterioară, fiecare construită pe două fundații decuplate. Pe fundația izolată de vibrații sunt instalate vacuum și alte sisteme care induc vibrații, astfel încât amplitudinea perturbației transmise sistemului laser prin fundație și suport să fie redusă la mai puțin de 10-10 g2/Hz în intervalul de frecvență de 1-200 Hz. În plus, o rețea de repere geodezice de referință este înființată în sala laserului pentru a monitoriza în mod sistematic deplasarea solului și a echipamentelor.
Proiectul XCELS își propune să creeze o mare unitate de cercetare științifică bazată pe lasere cu putere de vârf extrem de ridicată. Un canal al sistemului laser XCELS poate furniza o intensitate luminoasă focalizată de câteva ori mai mare decât 1024 W/cm2, care poate fi depășită și mai mult cu 1025 W/cm2 cu tehnologia de post-compresie. Prin impulsuri de focalizare dipol de la 12 canale din sistemul laser, o intensitate apropiată de 1026 W/cm2 poate fi atinsă chiar și fără postcompresie și blocare de fază. Dacă sincronizarea de fază între canale este blocată, intensitatea luminii va fi de câteva ori mai mare. Folosind aceste intensități record ale pulsului și structura fasciculului cu mai multe canale, viitoarea unitate XCELS va putea efectua experimente cu distribuții de câmp luminos complexe de intensitate extrem de ridicată și va putea diagnostica interacțiunile folosind fascicule laser multicanal și radiații secundare. Acest lucru va juca un rol unic în domeniul fizicii experimentale a câmpului electromagnetic super-puternic.
Ora postării: 26-mar-2024