Наскоро Институтът по приложна физика на Руската академия на науките представи eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), изследователска програма за големи научни устройства, базирани на изключителновисокомощни лазери. Проектът включва изграждане на многолазер с голяма мощностбазиран на оптична параметрична технология за усилване на чирпирани импулси в кристали на калиев дидеутериев фосфат (DKDP, химическа формула KD2PO4) с голяма апертура, с очаквана обща мощност от 600 PW импулси на пикова мощност. Тази работа предоставя важни подробности и изследователски констатации за проекта XCELS и неговите лазерни системи, описвайки приложения и потенциални въздействия, свързани с ултра-силни взаимодействия на светлинно поле.
Програмата XCELS беше предложена през 2011 г. с първоначалната цел за постигане на пикова мощностлазеримпулсен изход от 200 PW, който в момента е надстроен до 600 PW. Това елазерна системаразчита на три ключови технологии:
(1) Технологията за оптично параметрично усилване на импулс с чирпиране (OPCPA) се използва вместо традиционното усилване на импулс с чирпед (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) технология;
(2) Използвайки DKDP като среда за усилване, ултрашироколентовото фазово съгласуване се реализира близо до 910 nm дължина на вълната;
(3) Лазер от неодимово стъкло с голяма апертура и импулсна енергия от хиляди джаули се използва за изпомпване на параметричен усилвател.
Свръхшироколентовото фазово съвпадение се среща широко в много кристали и се използва в OPCPA фемтосекундни лазери. DKDP кристалите се използват, защото те са единственият материал, открит в практиката, който може да бъде отгледан до десетки сантиметри апертура и в същото време има приемливи оптични качества, за да поддържа усилването на мулти-PW мощностлазери. Установено е, че когато кристалът DKDP се изпомпва от двойната честота на светлината на ND стъкления лазер, ако носещата дължина на вълната на усиления импулс е 910 nm, първите три члена на разширението на Тейлър на несъответствието на вълновия вектор са 0.
Фигура 1 е схематично оформление на лазерната система XCELS. Предният край генерира чирпирани фемтосекундни импулси с централна дължина на вълната от 910 nm (1.3 на фигура 1) и 1054 nm наносекундни импулси, инжектирани в лазера, изпомпван от OPCPA (1.1 и 1.2 на фигура 1). Предният край също така осигурява синхронизирането на тези импулси, както и необходимите енергийни и пространствено-времеви параметри. Междинен OPCPA, работещ при по-висока честота на повторение (1 Hz), усилва чирпирания импулс до десетки джаули (2 на фигура 1). Импулсът се усилва допълнително от Booster OPCPA в един килоджаул лъч и се разделя на 12 идентични подлъча (4 на фигура 1). В последните 12 OPCPA, всеки от 12-те чирпирани светлинни импулси се усилва до нивото на килоджаула (5 на фигура 1) и след това се компресира от 12 компресионни решетки (GC от 6 на фигура 1). Акустооптичният програмируем дисперсионен филтър се използва в предния край за прецизен контрол на дисперсията на груповата скорост и дисперсията от висок ред, така че да се получи възможно най-малката ширина на импулса. Импулсният спектър има форма на почти супергаус от 12-ти порядък, а спектралната честотна лента при 1% от максималната стойност е 150 nm, съответстваща на граничната ширина на импулса на трансформацията на Фурие от 17 fs. Като се има предвид непълната компенсация на дисперсията и трудността на компенсацията на нелинейната фаза в параметричните усилватели, очакваната ширина на импулса е 20 fs.
Лазерът XCELS ще използва два 8-канални модула за удвояване на честотата на неодимов стъклен лазер UFL-2M (3 на фигура 1), от които 13 канала ще се използват за изпомпване на Booster OPCPA и 12 крайни OPCPA. Останалите три канала ще се използват като независими наносекундни килоджаул импулсилазерни източнициза други експерименти. Ограничен от оптичния праг на разрушаване на кристалите DKDP, интензитетът на облъчване на изпомпвания импулс е настроен на 1, 5 GW / cm2 за всеки канал и продължителността е 3, 5 ns.
Всеки канал на лазера XCELS произвежда импулси с мощност 50 PW. Общо 12 канала осигуряват обща изходна мощност от 600 PW. В основната целева камера максималният интензитет на фокусиране на всеки канал при идеални условия е 0,44×1025 W/cm2, като се приеме, че за фокусиране се използват фокусиращи елементи F/1. Ако импулсът на всеки канал се компресира допълнително до 2,6 fs чрез техника на пост-компресия, съответната изходна импулсна мощност ще бъде увеличена до 230 PW, съответстваща на интензитета на светлината от 2,0 × 1025 W/cm2.
За да се постигне по-голям интензитет на светлината, при 600 PW изход, светлинните импулси в 12-те канала ще бъдат фокусирани в геометрията на инверсно диполно излъчване, както е показано на Фигура 2. Когато фазата на импулса във всеки канал не е заключена, интензитетът на фокуса може достигат 9×1025 W/cm2. Ако всяка импулсна фаза е заключена и синхронизирана, интензитетът на кохерентната получена светлина ще бъде увеличен до 3,2 × 1026 W/cm2. В допълнение към основната целева стая, проектът XCELS включва до 10 потребителски лаборатории, всяка от които получава един или повече лъча за експерименти. Използвайки това изключително силно светлинно поле, проектът XCELS планира да проведе експерименти в четири категории: процеси на квантовата електродинамика в интензивни лазерни полета; Производство и ускоряване на частици; Генериране на вторично електромагнитно излъчване; Лабораторна астрофизика, процеси с висока енергийна плътност и диагностични изследвания.
Фиг. 2 Фокусираща геометрия в основната целева камера. За по-голяма яснота параболичното огледало на лъч 6 е настроено на прозрачно, а входните и изходните лъчи показват само два канала 1 и 7
Фигура 3 показва пространственото оформление на всяка функционална зона на лазерната система XCELS в експерименталната сграда. В сутерена са разположени електричество, вакуум помпи, водопречистване, пречистване и климатизация. Общата застроена площ е повече от 24 000 м2. Общата консумация на енергия е около 7,5 MW. Експерименталната сграда се състои от вътрешна куха цялостна рамка и външна секция, всяка изградена върху две отделни основи. Вакуумът и другите системи за предизвикване на вибрации са монтирани върху изолираната от вибрации основа, така че амплитудата на смущението, предавано на лазерната система през основата и опората, се намалява до по-малко от 10-10 g2/Hz в честотния диапазон на 1-200 Hz. Освен това в лазерната зала е създадена мрежа от геодезични референтни маркери за систематично наблюдение на дрейфа на земята и оборудването.
Проектът XCELS има за цел да създаде голямо съоръжение за научни изследвания, базирано на лазери с изключително висока пикова мощност. Един канал на лазерната система XCELS може да осигури интензитет на фокусирана светлина няколко пъти по-висок от 1024 W/cm2, който може да бъде допълнително надвишен с 1025 W/cm2 с технологията за пост-компресия. Чрез диполно-фокусиращи импулси от 12 канала в лазерната система може да се постигне интензитет, близък до 1026 W/cm2 дори без пост-компресия и фазово заключване. Ако фазовата синхронизация между каналите е заключена, интензитетът на светлината ще бъде няколко пъти по-висок. Използвайки тези рекордни интензитети на импулсите и многоканалното оформление на лъча, бъдещото съоръжение XCELS ще може да извършва експерименти с изключително висок интензитет, сложни разпределения на светлинното поле и да диагностицира взаимодействия с помощта на многоканални лазерни лъчи и вторично лъчение. Това ще играе уникална роля в областта на експерименталната физика на свръхсилното електромагнитно поле.
Време на публикуване: 26 март 2024 г