Nedávno Inštitút aplikovanej fyziky Russkej akadémie vied predstavil Centrum Exawatt pre štúdiu Extreme Light (Xcels), výskumný program pre veľké vedecké zariadenia založený na extrémnelasery s vysokým výkonom. Projekt zahŕňa výstavbu veľmilaser s vysokým výkonomNa základe optickej parametrickej technológie pulznej amplifikácie pulzov vo veľkej clone dideutérium fosforečnanu draselného (DKDP, chemický vzorec KD2PO4), s očakávaným celkovým výkonom 600 pW špičkových výkonových impulzov. Táto práca poskytuje dôležité detaily a výskumné zistenia o projekte Xcels a jeho laserových systémoch, ktoré opisujú aplikácie a potenciálne vplyvy súvisiace s interakciami s ultra silným svetelným poľom.
Program Xcels bol navrhnutý v roku 2011 s počiatočným cieľom dosiahnuť špičkovú silulaserPulzný výstup 200 PW, ktorý je v súčasnosti aktualizovaný na 600 PW. Svojlaserový systémspolieha sa na tri kľúčové technológie:
(1) Namiesto tradičnej amplifikácie pulzov (pulzná amplifikácia, OPCPA) sa používa optická parametrická pulzná amplifikácia pulzov (OPCPA). CPA) technológia;
(2) Použitie DKDP ako ziskového média sa ultra širokopásmové fázové porovnávanie realizuje blízko vlnovej dĺžky 910 nm;
(3) Na čerpanie parametrického zosilňova sa používa veľká noodymiová laserová laser s veľkou clonou s pulznou energiou tisícov joulov.
Ultra širokopásmová fázová zhoda sa často vyskytuje v mnohých kryštáloch a používa sa v laseroch OPCPA FemtoseCond. Kryštály DKDP sa používajú, pretože sú jediným materiálom nachádzajúcim sa v praxi, ktorý sa dá pestovať na desiatky centimetrov clony a zároveň majú prijateľné optické vlastnosti na podporu zosilnenia viacerých výkonov výkonu PWlasery. Zistilo sa, že keď je kryštál DKDP čerpaný dvojfrekvenčným svetlom skleneného lasera ND, ak je vlnová dĺžka nosiča zosilneného impulzu 910 nm, prvé tri výrazy Taylor expanzie vlnového vektorového nesúladu sú 0.
Obrázok 1 je schematické usporiadanie laserového systému Xcels. Predný koniec generoval cvrlikané femtosekundové impulzy s centrálnou vlnovou dĺžkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a 1054 nm nanosekundových impulzov vstrekovaných do laseru čerpaného OPCPA (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Predný koniec tiež zaisťuje synchronizáciu týchto impulzov, ako aj požadovanú energetickú a priestorovú parametre. Medzi pokročilý OPCPA pracujúci s vyššou rýchlosťou opakovania (1 Hz) zosilňuje cvrlikaný impulz na desiatky joulov (2 na obrázku 1). Pulz je ďalej zosilnený posilňovacou OPCPA do jedného kilojoulového lúča a rozdelený na 12 rovnakých čiastkových lúčov (4 na obrázku 1). V posledných 12 OPCPA je každý z 12 cvrlikaných svetelných impulzov zosilnený na úroveň kilojoulov (5 na obrázku 1) a potom stlačený 12 kompresnými mriežkami (GC 6 na obrázku 1). Akusto-optický programovateľný disperzný filter sa používa na prednej časti, aby sa presne disperzia rýchlosti kontrolnej skupiny a disperzia vysokého rádu získala, aby sa získala najmenšia možná šírka impulzu. Pulzné spektrum má tvar Supergauss takmer 12. rádu a šírka spektrálnej pásma pri 1% maximálnej hodnoty je 150 nm, čo zodpovedá šírke limitného impulzu Fourierovej transformácie 17 fs. Vzhľadom na neúplnú kompenzáciu disperzie a obtiažnosť nelineárnej fázy kompenzácie parametrických zosilňovačov je očakávaná šírka impulzu 20 fs.
Laser Xcels bude využívať dva 8-kanálové moduly zdvojnásobenia laserových laserových laserových frekvencií UFL-2M (3 na obrázku 1), z ktorých 13 kanálov sa použije na čerpanie posilňovacej OPCPA a 12 konečných OPCPA. Zostávajúce tri kanály sa použijú ako nezávislé nanosekundové kilojoule pulzovanélaserové zdrojePre ďalšie experimenty. Intenzita ožarovania čerpaného impulzu je obmedzená prahom optického rozpadu kryštálov DKDP, pre každý kanál je nastavená na 1,5 GW/cm2 a trvanie je 3,5 ns.
Každý kanál Xcels laser produkuje impulzy s výkonom 50 PW. Celkom 12 kanálov poskytuje celkový výstupný výkon 600 PW. V hlavnej cieľovej komore je maximálna intenzita zaostrenia každého kanála za ideálnych podmienok 0,44 x 1025 W/cm2, za predpokladu, že prvky zaostrenia F/1 sa používajú na zaostrenie. Ak je impulz každého kanála ďalej komprimovaný na 2,6 fs technikou po kompresii, zodpovedajúci výkon výstupného impulzu sa zvýši na 230 pW, čo zodpovedá intenzite svetla 2,0 x 1025 W/cm2.
Aby sa dosiahla väčšia intenzita svetla, pri výstupe 600 pW sa svetlé impulzy v 12 kanáloch zameriavajú na geometriu inverzného dipólového žiarenia, ako je znázornené na obrázku 2. Keď nie je fáza impulzu v každom kanáli uzamknutá, intenzita zaostrenia môže dosiahnuť 9 x 1025 W/cm2. Ak je každá pulzná fáza zamknutá a synchronizovaná, koherentná výsledná intenzita svetla sa zvýši na 3,2 x 1026 W/cm2. Okrem hlavnej cieľovej miestnosti projekt Xcels zahŕňa až 10 používateľských laboratórií, z ktorých každá dostáva jeden alebo viac lúčov pre experimenty. Pomocou tohto extrémne silného svetelného poľa plánuje projekt Xcels vykonávať experimenty v štyroch kategóriách: kvantové elektrodynamické procesy v intenzívnych laserových poliach; Výroba a zrýchlenie častíc; Tvorba sekundárneho elektromagnetického žiarenia; Laboratórna astrofyzika, procesy s vysokou hustotou energie a diagnostický výskum.
Obr. 2 Zameranie geometrie v hlavnej cieľovej komore. Z dôvodu prehľadnosti je parabolické zrkadlo lúča 6 nastavené na priehľadné a vstupné a výstupné lúče zobrazujú iba dva kanály 1 a 7
Obrázok 3 zobrazuje priestorové usporiadanie každej funkčnej oblasti laserového systému Xcels v experimentálnej budove. V suteréne sa nachádzajú elektrina, vákuové čerpadlá, čistenie vody, čistenie a klimatizácia. Celková stavebná plocha je viac ako 24 000 m2. Celková spotreba energie je asi 7,5 MW. Experimentálna budova pozostáva z vnútorného celkového rámca dutiny a vonkajšej časti, z ktorej je postavený na dvoch oddelených základoch. Vákuum a ďalšie systémy vyvolávajúce vibrácie sú inštalované na základni izolovanej vibráciou, takže amplitúda rušenie prenášaného do laserového systému prostredníctvom nadácie a podpora sa zníži na menej ako 10-10 G2/Hz vo frekvenčnom rozsahu 1-200 Hz. Okrem toho je v laserovej sále zriadená sieť geodetických referenčných markerov, ktorá systematicky monitoruje posun zeme a vybavenia.
Cieľom projektu Xcels je vytvoriť veľké vedecké výskumné zariadenie založené na extrémne vysokých maximálnych výkonových laseroch. Jeden kanál laserového systému Xcels môže poskytnúť intenzitu zameraného svetla niekoľkokrát vyššiu ako 1024 w/cm2, ktorý môže byť ďalej prekročený 1025 W/cm2 s technológiou po kompresii. Intenzívnymi impulzmi z 12 kanálov v laserovom systéme je možné dosiahnuť intenzitu blízku 1026 W/cm2 aj bez uzamknutia po kompresii a fáze. Ak je fázová synchronizácia medzi kanálmi zamknutá, intenzita svetla bude niekoľkokrát vyššia. Pomocou týchto rekordných intenzity impulzov a viackanálového rozloženia lúčov bude Budúce zariadenie Xcels schopné vykonávať experimenty s extrémne vysokou intenzitou, komplexným distribúciou ľahkého poľa a diagnostikovať interakcie pomocou viackanálových laserových lúčov a sekundárneho žiarenia. To bude hrať jedinečnú úlohu v oblasti super silného elektromagnetického poľa Experimentálna fyzika.
Čas príspevku: marca-26-2024