Наскоро Институтът по приложна физика на Руската академия на науките въведе Центъра за екстремни светлини на Exawatt (XCELS), изследователска програма за големи научни устройства, базирана на изключително изключителноЛазери с висока мощност. Проектът включва изграждането на многоЛазер с висока мощностВъз основа на оптичната параметрична технология за усилване на импулсното усилване в голям бленда калиев дидеутерий фосфат (DKDP, химическа формула KD2PO4), с очакван общ изход от 600 PW пилни импулси. Тази работа предоставя важни подробности и констатации за изследвания за проекта XCELS и неговите лазерни системи, описвайки приложения и потенциални въздействия, свързани с взаимодействието на ултра-силни светлини.
Програмата XCELS беше предложена през 2011 г. с първоначалната цел за постигане на върхова мощностЛазерИмпулсен изход от 200 PW, който в момента се надгражда до 600 PW. ТоваЛазерна системаразчита на три ключови технологии:
(1) Оптична параметрична импулсна импулсна амплификация (OPCPA) се използва вместо традиционно усилване на импулсен импулс (амплификация на импулс, OPCPA). CPA) технология;
(2) Използвайки DKDP като среда за усилване, съвпадение на ултра широколентова фаза се реализира близо до дължина на вълната 910 nm;
(3) Голям лазер за неодимово стъкло с импулсна енергия от хиляди джаули се използва за изпомпване на параметричен усилвател.
Съвпадането на фазата на ултра широка лента се намира широко в много кристали и се използва в лазерите на OPCPA Femtosecond. DKDP кристалите се използват, тъй като те са единственият материал, открит на практика, който може да се отглежда до десетки сантиметри бленда и в същото време има приемливи оптични качества за подпомагане на усилването на мощността на мулти-PWЛазери. Установено е, че когато DKDP кристалът се изпомпва от двойната честотна светлина на ND стъкления лазер, ако дължината на вълната на носителя на амплифицирания импулс е 910 nm, първите три термина на разширяването на Тейлър на несъответствието на вълновия вектор са 0.
Фигура 1 е схематично оформление на лазерната система XCELS. Предният край генерира изсмукани фемтосекундни импулси с централна дължина на вълната 910 nm (1.3 на фигура 1) и 1054 nm наносекундни импулси, инжектирани в изпомпвания на OPCPA лазер (1.1 и 1.2 на фигура 1). Предният край също така осигурява синхронизирането на тези импулси, както и необходимите енергийни и пространствено -временни параметри. Междинният OPCPA, работещ с по -висока скорост на повторение (1 Hz), усилва издутият импулс до десетки джаули (2 на фигура 1). Пулсът се усилва допълнително от бустерния OPCPA в един килоджулен лъч и се разделя на 12 еднакви поджанги (4 на фигура 1). В крайните 12 OPCPA всеки от 12 -те пулсирани импулса се усилва до нивото на килоджуле (5 на фигура 1) и след това се компресира с 12 решетки за компресия (GC от 6 на фигура 1). Акушо-оптичният програмируем филтър за дисперсия се използва в предния край, за да се контролира точно дисперсията на скоростта на групата и дисперсията с висок ред, така че да се получи възможно най-малката ширина на импулса. Импулсният спектър има форма на близо 12-ти ред Supergauss, а спектралната честотна лента при 1% от максималната стойност е 150 nm, съответстваща на ширината на импулса на преобразуването на Фурие от 17 fs. Като се има предвид компенсацията на непълната дисперсия и трудността на нелинейната компенсация на фазата при параметрични усилватели, очакваната ширина на импулса е 20 fs.
Лазерът на XCELS ще използва два 8-канални UFL-2M неодимо-стъклени лазерни модули за удвояване на честотата (3 на фигура 1), от които 13 канала ще бъдат използвани за изпомпване на бустер OPCPA и 12 окончателни OPCPA. Останалите три канала ще бъдат използвани като независим наносекунда килоджул пулсиранЛазерни източнициЗа други експерименти. Ограничен от оптичния праг на разрушаване на DKDP кристалите, интензитетът на облъчване на изпомпвания импулс е зададен 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 мощност от 600 PW. В основната целева камера максималната интензивност на фокусиране на всеки канал при идеални условия е 0,44 × 1025 W/cm2, като се предполага, че F/1 фокусиращи елементи се използват за фокусиране. Ако импулсът на всеки канал е допълнително компресиран до 2,6 fs чрез техника след компресия, съответната мощност на изходния импулс ще бъде увеличена до 230 PW, съответстваща на интензивността на светлината 2,0 × 1025 W/cm2.
За да се постигне по -голяма интензивност на светлината, при 600 PW изход, светлинните импулси в 12 -те канала ще бъдат фокусирани в геометрията на обратното диполно лъчение, както е показано на фигура 2. Когато импулсната фаза във всеки канал не е заключена, интензивността на фокуса може да достигне 9 × 1025 W/cm2. Ако всяка импулсна фаза е заключена и синхронизирана, кохерентният резултат на светлината 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 греди за експерименти. Използвайки това изключително силно леко поле, проектът XCELS планира да проведе експерименти в четири категории: квантова електродинамика процеси в интензивни лазерни полета; Производството и ускорението на частиците; Генерирането на вторично електромагнитно излъчване; Лабораторна астрофизика, процеси с висока енергийна плътност и диагностични изследвания.
Фиг. 2 Фокусиране на геометрията в основната целева камера. За по -голяма яснота, параболичното огледало на лъча 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 област на лазерната система XCELS в експерименталната сграда. В мазето са разположени електричество, вакуумни помпи, пречистване на вода, пречистване и климатик. Общата строителна площ е повече от 24 000 м2. Общата консумация на енергия е около 7,5 MW. Експерименталната сграда се състои от вътрешна куха обща рамка и външна секция, всяка от които е изградена на две отделени основи. Вакуумните и други системи, предизвикващи вибрации, са инсталирани на изолираната от вибрациите основа, така че амплитудата на смущения, предавани на лазерната система чрез основата и опората се намалява до по-малко от 10-10 G2/Hz в честотния диапазон от 1-200 Hz. В допълнение, в лазерната зала се създава мрежа от геодезични референтни маркери, за да се наблюдава систематично дрейфа на земята и оборудването.
Проектът XCELS има за цел да създаде голямо научно изследователско съоръжение, базирано на изключително високи пикови лазери. Един канал на лазерната система XCELS може да осигури фокусирана интензивност на светлината няколко пъти по-висока от 1024 w/cm2, което може да бъде допълнително надвишено с 1025 W/cm2 с технология след компресия. Чрез дипол, фокусиращи импулси от 12 канала в лазерната система, може да се постигне интензивност, близка до 1026 w/cm2, дори без след компресиране и фазово заключване. Ако фазовата синхронизация между каналите е заключена, интензивността на светлината ще бъде няколко пъти по -висока. Използвайки тези рекордни интензивности на импулса и многоканалното оформление на гредата, бъдещото съоръжение на XCELS ще може да извършва експерименти с изключително висока интензивност, сложни разпределения на светлината на полето и да диагностицира взаимодействия, използвайки многоканални лазерни лъчи и вторично лъчение. Това ще играе уникална роля в областта на експерименталната физика на супер силна електромагнитно поле.
Време за публикация: Mar-26-2024