Nedávno Inštitút aplikovanej fyziky Ruskej akadémie vied predstavil eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), výskumný program pre veľké vedecké zariadenia založený na extrémnevysokovýkonné lasery. Projekt zahŕňa výstavbu veľmivysokovýkonný laserzaložené na technológii zosilnenia optických parametrických impulzov v kryštáloch dideutéria fosforečnanu draselného (DKDP, chemický vzorec KD2PO4) s veľkou apertúrou, s očakávaným celkovým výkonom 600 impulzov špičkového výkonu PW. Táto práca poskytuje dôležité podrobnosti a výskumné zistenia o projekte XCELS a jeho laserových systémoch, popisuje aplikácie a potenciálne vplyvy súvisiace s interakciami ultrasilného svetelného poľa.
Program XCELS bol navrhnutý v roku 2011 s pôvodným cieľom dosiahnuť špičkový výkonlaserpulzný výkon 200 PW, ktorý je v súčasnosti upgradovaný na 600 PW. Jeholaserový systémspolieha na tri kľúčové technológie:
(1) Technológia optickej parametrickej chirpovanej pulznej amplifikácie (OPCPA) sa používa namiesto tradičnej chirpovanej pulznej amplifikácie (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) Použitím DKDP ako média zisku sa ultraširokopásmové fázové prispôsobenie realizuje v blízkosti vlnovej dĺžky 910 nm;
(3) Na pumpovanie parametrického zosilňovača sa používa laser z neodymového skla s veľkou apertúrou s pulznou energiou tisícok joulov.
Ultra-širokopásmové fázové prispôsobenie sa široko nachádza v mnohých kryštáloch a používa sa vo femtosekundových laseroch OPCPA. DKDP kryštály sa používajú, pretože sú jediným materiálom, ktorý sa v praxi vyskytuje, ktorý sa dá narásť na desiatky centimetrov apertúry a zároveň má prijateľné optické vlastnosti na podporu zosilnenia multi-PW výkonulasery. Zistilo sa, že keď je kryštál DKDP čerpaný dvojfrekvenčným svetlom ND skleneného lasera, ak je nosná vlnová dĺžka zosilneného impulzu 910 nm, prvé tri členy Taylorovej expanzie nesúladu vlnového vektora sú 0.
Obrázok 1 je schematické znázornenie laserového systému XCELS. Predný koniec generoval cvrlikavé femtosekundové impulzy s centrálnou vlnovou dĺžkou 910 nm (1,3 na obrázku 1) a 1054 nm nanosekundové impulzy vstrekované do laseru čerpaného OPCPA (1,1 a 1,2 na obrázku 1). Predná časť tiež zabezpečuje synchronizáciu týchto impulzov, ako aj požadovanú energiu a časopriestorové parametre. Stredná OPCPA pracujúca s vyššou opakovacou frekvenciou (1 Hz) zosilňuje cvrlikavý impulz na desiatky joulov (2 na obrázku 1). Impulz je ďalej zosilnený pomocou Booster OPCPA na jeden kilojoulový lúč a rozdelený do 12 rovnakých čiastkových lúčov (4 na obrázku 1). V posledných 12 OPCPA je každý z 12 cvrlikavých svetelných impulzov zosilnený na úroveň kilojoulov (5 na obrázku 1) a potom stlačený 12 kompresnými mriežkami (GC zo 6 na obrázku 1). Akustooptický programovateľný disperzný filter sa používa v prednej časti na presné riadenie skupinovej disperzie rýchlosti a disperzie vysokého rádu, aby sa dosiahla čo najmenšia šírka impulzu. Spektrum impulzov má tvar takmer supergaussu 12. rádu a spektrálna šírka pásma pri 1 % maximálnej hodnoty je 150 nm, čo zodpovedá šírke impulzu limitu Fourierovej transformácie 17 fs. Vzhľadom na neúplnú disperznú kompenzáciu a náročnosť nelineárnej fázovej kompenzácie v parametrických zosilňovačoch je očakávaná šírka impulzu 20 fs.
Laser XCELS bude využívať dva 8-kanálové UFL-2M neodymové sklenené laserové moduly na zdvojenie frekvencie (3 na obrázku 1), z ktorých 13 kanálov bude použitých na pumpovanie Booster OPCPA a 12 finálnych OPCPA. Zvyšné tri kanály sa použijú ako nezávislé nanosekundové kilojoulové impulzylaserové zdrojepre ďalšie experimenty. Obmedzená prahom optického prierazu kryštálov DKDP, intenzita ožiarenia čerpaného impulzu je nastavená na 1,5 GW/cm2 pre každý kanál a trvanie je 3,5 ns.
Každý kanál lasera XCELS produkuje impulzy s výkonom 50 PW. Celkom 12 kanálov poskytuje celkový výstupný výkon 600 PW. V hlavnej cieľovej komore je maximálna intenzita zaostrovania každého kanála za ideálnych podmienok 0,44 × 1025 W/cm2 za predpokladu, že na zaostrenie sa používajú zaostrovacie prvky F/1. Ak sa impulz každého kanála ďalej stlačí na 2,6 fs post-kompresnou technikou, zodpovedajúci výstupný impulzný výkon sa zvýši na 230 PW, čo zodpovedá intenzite svetla 2,0 × 1025 W/cm2.
Na dosiahnutie vyššej intenzity svetla pri výkone 600 PW budú svetelné impulzy v 12 kanáloch zaostrené v geometrii inverzného dipólového žiarenia, ako je znázornené na obrázku 2. Keď fáza impulzov v každom kanáli nie je zablokovaná, intenzita zaostrenia môže dosah 9×1025 W/cm2. Ak je každá fáza impulzu uzamknutá a synchronizovaná, koherentná výsledná intenzita svetla sa zvýši na 3,2 × 1026 W/cm2. Okrem hlavnej cieľovej miestnosti zahŕňa projekt XCELS až 10 užívateľských laboratórií, z ktorých každé prijíma jeden alebo viac lúčov na experimenty. S využitím tohto extrémne silného svetelného poľa plánuje projekt XCELS uskutočniť experimenty v štyroch kategóriách: procesy kvantovej elektrodynamiky v intenzívnych laserových poliach; Produkcia a zrýchlenie častíc; Generovanie sekundárneho elektromagnetického žiarenia; Laboratórna astrofyzika, procesy s vysokou hustotou energie a diagnostický výskum.
Obr. 2 Geometria zaostrovania v hlavnej cieľovej komore. Kvôli 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 je umiestnená elektrina, vývevy, úprava vody, čistenie a vzduchotechnika. Celková stavebná plocha je viac ako 24 000 m2. Celková spotreba energie je cca 7,5 MW. Experimentálna budova pozostáva z vnútorného dutého celkového rámu a vonkajšej časti, z ktorých každá je postavená na dvoch oddelených základoch. Vákuové a iné vibračné systémy 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 zriadená sieť geodetických referenčných značiek na systematické sledovanie unášania pôdy a zariadení.
Projekt XCELS má za cieľ vytvoriť veľké vedecké výskumné zariadenie založené na laseroch s extrémne vysokým výkonom. Jeden kanál laserového systému XCELS môže poskytnúť sústredenú intenzitu svetla niekoľkonásobne vyššiu ako 1024 W/cm2, ktorú možno pomocou post-kompresnej technológie ďalej prekročiť o 1025 W/cm2. Pomocou impulzov dipólového zaostrovania z 12 kanálov v laserovom systéme možno dosiahnuť intenzitu blízku 1026 W/cm2 aj bez post-kompresie a fázového uzamknutia. Ak je fázová synchronizácia medzi kanálmi zablokovaná, intenzita svetla bude niekoľkonásobne vyššia. Pomocou týchto rekordných intenzít impulzov a viackanálového usporiadania lúčov 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 odoslania: 26. marca 2024