Inštitút aplikovanej fyziky Ruskej akadémie vied nedávno predstavil Centrum eXawatt pre štúdium extrémneho svetla (XCELS), výskumný program pre veľké vedecké zariadenia založené na extrémnevysokovýkonné laseryProjekt zahŕňa výstavbu veľmivysokovýkonný laserzaložené na technológii optického parametrického zosilňovania impulzov s chirpingovou štruktúrou v kryštáloch dideutériumfosfátu draselného (DKDP, chemický vzorec KD2PO4) s veľkou apertúrou, s očakávaným celkovým výkonom špičkových impulzov 600 PW. Táto práca poskytuje dôležité podrobnosti a výskumné zistenia o projekte XCELS a jeho laserových systémoch, pričom opisuje aplikácie a potenciálne dopady súvisiace s interakciami ultrasilných svetelných polí.
Program XCELS bol navrhnutý v roku 2011 s počiatočným cieľom dosiahnuť špičkový výkonlaserimpulzný výkon 200 PW, ktorý je v súčasnosti vylepšený na 600 PW. Jeholaserový systémspolieha sa na tri kľúčové technológie:
(1) Namiesto tradičnej technológie zosilňovania cvrlikaných impulzov (OPCPA) sa používa technológia optického parametrického zosilňovania cvrlikaných impulzov (OPCPA);
(2) Použitím DKDP ako zosilňovacieho média sa dosiahne ultraširokopásmové fázové prispôsobenie v blízkosti vlnovej dĺžky 910 nm;
(3) Na buzovanie parametrického zosilňovača sa používa neodýmový sklenený laser s veľkou apertúrou a energiou impulzov tisícov joulov.
Ultraširokopásmové fázové prispôsobenie sa bežne používa v mnohých kryštáloch a vo femtosekundových laseroch OPCPA. Kryštály DKDP sa používajú, pretože sú jediným materiálom, ktorý sa v praxi vyskytuje a ktorý je možné pestovať do desiatok centimetrov apertúry a zároveň mať prijateľné optické vlastnosti na podporu zosilnenia výkonu viacerých PW.laseryZistilo sa, že keď je kryštál DKDP čerpaný dvojfrekvenčným svetlom ND skleneného laseru, ak je nosná vlnová dĺžka zosilneného impulzu 910 nm, prvé tri členy Taylorovho rozvoja nesúladu vlnových vektorov sú 0.
Obrázok 1 je schematické znázornenie laserového systému XCELS. Predný koniec generoval cvrlikané femtosekundové impulzy s centrálnou vlnovou dĺžkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a nanosekundové impulzy 1054 nm vstreknuté do čerpaného laseru OPCPA (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Predný koniec tiež zabezpečuje synchronizáciu týchto impulzov, ako aj požadovanú energiu a priestorovo-časové parametre. Medziľahlý OPCPA pracujúci s vyššou opakovacou frekvenciou (1 Hz) zosilňuje cvrlikaný impulz na desiatky joulov (2 na obrázku 1). Impulz je ďalej zosilnený zosilňovačom OPCPA do jedného kilojouleového lúča a rozdelený na 12 identických čiastkových lúčov (4 na obrázku 1). V konečných 12 OPCPA je každý z 12 cvrlikaných svetelných impulzov zosilnený na úroveň kilojoulov (5 na obrázku 1) a potom komprimovaný 12 kompresnými mriežkami (GC 6 na obrázku 1). Akustooptický programovateľný disperzný filter sa používa na vstupe na presné riadenie disperzie skupinovej rýchlosti a disperzie vyššieho rádu, aby sa dosiahla čo najmenšia šírka impulzu. Spektrum impulzu má tvar takmer 12. rádu supergauss a spektrálna šírka pásma pri 1 % maximálnej hodnoty je 150 nm, čo zodpovedá limitnej šírke impulzu Fourierovej transformácie 17 fs. Vzhľadom na neúplnú kompenzáciu disperzie a obtiažnosť nelineárnej fázovej kompenzácie v parametrických zosilňovačoch je očakávaná šírka impulzu 20 fs.
Laser XCELS bude využívať dva 8-kanálové moduly neodýmového skleneného laseru UFL-2M na zdvojnásobenie frekvencie (3 na obrázku 1), z ktorých 13 kanálov bude použitých na čerpanie zosilňovača OPCPA a 12 na výsledný OPCPA. Zvyšné tri kanály budú použité ako nezávislé nanosekundové kilojoulové pulzy.laserové zdrojepre ďalšie experimenty. Intenzita ožiarenia čerpaného impulzu je obmedzená prahom optického prierazu kryštálov DKDP a je nastavená na 1,5 GW/cm2 pre každý kanál a trvanie je 3,5 ns.
Každý kanál laseru XCELS produkuje impulzy s výkonom 50 PW. Celkovo 12 kanálov poskytuje celkový výstupný výkon 600 PW. V hlavnej cieľovej komore je maximálna intenzita zaostrovania každého kanála za ideálnych podmienok 0,44 × 10²⁶ W/cm², za predpokladu, že na zaostrovanie sa použijú zaostrovacie prvky F/1. Ak sa impulz každého kanála ďalej skomprimuje na 2,6 fs pomocou techniky dodatočnej kompresie, zodpovedajúci výstupný výkon impulzu sa zvýši na 230 PW, čo zodpovedá intenzite svetla 2,0 × 10²⁶ W/cm².
Aby sa dosiahla vyššia intenzita svetla, pri výstupe 600 PW budú svetelné impulzy v 12 kanáloch zaostrené v geometrii inverzného dipólového žiarenia, ako je znázornené na obrázku 2. Keď fáza impulzu v každom kanáli nie je uzamknutá, intenzita zaostrenia môže dosiahnuť 9 × 10²⁶ W/cm². Ak je fáza každého impulzu uzamknutá a synchronizovaná, výsledná koherentná intenzita svetla sa zvýši na 3,2 × 10²⁶ W/cm². Okrem hlavnej cieľovej miestnosti projekt XCELS zahŕňa až 10 používateľských laboratórií, z ktorých každé prijíma jeden alebo viac lúčov na experimenty. Pomocou tohto extrémne silného svetelného poľa plánuje projekt XCELS vykonávať experimenty v štyroch kategóriách: procesy kvantovej elektrodynamiky v intenzívnych laserových poliach; produkcia a urýchľovanie častíc; generovanie sekundárneho elektromagnetického žiarenia; laboratórna astrofyzika, procesy s vysokou hustotou energie a diagnostický výskum.
OBR. 2 Zaostrovacia geometria v hlavnej cieľovej komore. Pre lepšiu prehľadnosť je parabolické zrkadlo lúča 6 nastavené na priehľadnosť a vstupný a výstupný lúč zobrazujú iba dva kanály 1 a 7.
Obrázok 3 znázorňuje priestorové rozloženie každej funkčnej oblasti laserového systému XCELS v experimentálnej budove. Elektrina, vákuové čerpadlá, úpravňa vody, čistenie a klimatizácia sa nachádzajú v suteréne. Celková plocha budovy je viac ako 24 000 m2. Celková spotreba energie je približne 7,5 MW. Experimentálna budova pozostáva z vnútorného dutého celkového rámu a vonkajšej časti, pričom každá je postavená na dvoch oddelených základoch. Vákuum a ďalšie systémy indukujúce vibrácie sú inštalované na vibračne izolovanom základe, takže amplitúda rušenia prenášaného do laserového systému cez základ a podperu je znížená na menej ako 10-10 g2/Hz vo frekvenčnom rozsahu 1-200 Hz. Okrem toho je v laserovej hale vytvorená sieť geodetických referenčných značiek na systematické monitorovanie posunu zeme a zariadenia.
Projekt XCELS si kladie za cieľ vytvoriť rozsiahle vedeckovýskumné zariadenie založené na laseroch s extrémne vysokým špičkovým výkonom. Jeden kanál laserového systému XCELS môže poskytnúť zaostrenú intenzitu svetla niekoľkonásobne vyššiu ako 1024 W/cm2, ktorú je možné pomocou postkompresnej technológie ďalej prekročiť o 1025 W/cm2. Dipólovým zaostrovaním impulzov z 12 kanálov v laserovom systéme je možné dosiahnuť intenzitu blízku 1026 W/cm2 aj bez postkompresie a fázového blokovania. Ak je fázová synchronizácia medzi kanálmi blokovaná, intenzita svetla bude niekoľkonásobne vyššia. Vďaka týmto rekordným intenzitám impulzov a viackanálovému rozloženiu lúča bude budúce zariadenie XCELS schopné vykonávať experimenty s extrémne vysokou intenzitou, komplexným rozložením svetelného poľa a diagnostikovať interakcie pomocou viackanálových laserových lúčov a sekundárneho žiarenia. To bude hrať jedinečnú úlohu v oblasti experimentálnej fyziky supersilného elektromagnetického poľa.
Čas uverejnenia: 26. marca 2024