Наскоро Институтът по приложна физика към Руската академия на науките представи Центъра за изследване на екстремна светлина eXawatt (XCELS), изследователска програма за големи научни устройства, базирани на изключително...лазери с висока мощностПроектът включва изграждането на многолазер с висока мощностбазирана на технология за оптично параметрично усилване на чирпирани импулси в кристали калиев дидеутериев фосфат (DKDP, химична формула KD2PO4) с голяма апертура, с очаквана обща мощност от 600 PW пикови импулси. Тази работа предоставя важни подробности и изследователски открития за проекта XCELS и неговите лазерни системи, описвайки приложения и потенциални въздействия, свързани с взаимодействията на ултрасилни светлинни полета.
Програмата XCELS беше предложена през 2011 г. с първоначалната цел за постигане на пикова мощностлазеримпулсен изход от 200 PW, който в момента е надграден до 600 PW. Неговиятлазерна системаразчита на три ключови технологии:
(1) Използва се технология за оптично параметрично усилване на чирпирани импулси (OPCPA) вместо традиционната технология за усилване на чирпирани импулси (CPA);
(2) Използвайки DKDP като усилваща среда, се реализира ултрашироколентово фазово съгласуване близо до дължина на вълната от 910 nm;
(3) За напомпване на параметричен усилвател се използва неодимов стъклен лазер с голяма апертура и импулсна енергия от хиляди джаули.
Ултрашироколентовото фазово съгласуване се среща широко в много кристали и се използва във фемтосекундни лазери OPCPA. Кристалите DKDP се използват, защото са единственият материал, срещан на практика, който може да се отглежда до десетки сантиметри апертура и същевременно да има приемливи оптични качества, за да поддържа усилването на мощността на многофазни импулси.лазериУстановено е, че когато DKDP кристалът се напомпва от двойночестотната светлина на ND стъклен лазер, ако дължината на носещата вълна на усилвания импулс е 910 nm, първите три члена на разлагането на Тейлър за несъответствието на вълновия вектор са 0.
Фигура 1 е схематично представяне на лазерната система XCELS. Предният край генерира чирпирани фемтосекундни импулси с централна дължина на вълната 910 nm (1.3 на Фигура 1) и 1054 nm наносекундни импулси, инжектирани в OPCPA лазера с помпа (1.1 и 1.2 на Фигура 1). Предният край осигурява и синхронизацията на тези импулси, както и необходимите енергийни и пространствено-времеви параметри. Междинен OPCPA, работещ с 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 килоджаулов лъч и се разделя на 12 идентични подлъча (4 на Фигура 1). В крайните 12 OPCPA, всеки от 12-те чирпирани светлинни импулса се усилва до ниво от килоджаули (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 във входния край за прецизен контрол на дисперсията на груповата скорост и дисперсията от висок порядък, така че да се получи възможно най-малката ширина на импулса. Спектърът на импулса има форма на почти 12-ти порядък на супергаус, а спектралната честотна лента при 1% от максималната стойност е 150 nm, което съответства на граничната ширина на импулса от 17 fs на Фурие преобразуването. Като се има предвид непълната компенсация на дисперсията и трудността на нелинейната фазова компенсация в параметричните усилватели, очакваната ширина на импулса е 20 fs.
Лазерът XCELS ще използва два 8-канални UFL-2M неодимови стъклени лазерни модула за удвояване на честотата (3 на Фигура 1), от които 13 канала ще бъдат използвани за напомпване на усилващия OPCPA и 12 за крайния OPCPA. Останалите три канала ще се използват като независими наносекундни килоджаулови импулси.лазерни източнициза други експерименти. Ограничен от прага на оптично пробиване на DKDP кристалите, интензитетът на облъчване на изпомпвания импулс е зададен на 1,5 GW/cm2 за всеки канал, а продължителността е 3,5 ns.
Всеки канал на XCELS лазера 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, приемайки, че за фокусиране се използват фокусиращи елементи F/1. Ако импулсът на всеки канал бъде допълнително компресиран до 2,6 fs чрез техника на посткомпресия, съответната изходна импулсна мощност ще се увеличи до 230 PW, съответстващо на интензитета на светлината от 2,0×1025 W/cm2.
За да се постигне по-голяма интензивност на светлината, при изходна мощност 600 PW, светлинните импулси в 12-те канала ще бъдат фокусирани в геометрията на обратното диполно лъчение, както е показано на Фигура 2. Когато фазата на импулса във всеки канал не е заключена, интензитетът на фокуса може да достигне 9×10²⁶ W/cm². Ако всяка фаза на импулса е заключена и синхронизирана, кохерентният резултантен интензитет на светлината ще се увеличи до 3,2×10²⁶ W/cm². В допълнение към основната целева зала, проектът XCELS включва до 10 потребителски лаборатории, всяка от които получава един или повече лъчи за експерименти. Използвайки това изключително силно светлинно поле, проектът XCELS планира да проведе експерименти в четири категории: квантово-електродинамични процеси в интензивни лазерни полета; Производство и ускорение на частици; Генериране на вторично електромагнитно лъчение; Лабораторна астрофизика, процеси с висока енергийна плътност и диагностични изследвания.
ФИГ. 2 Геометрия на фокусиране в основната целева камера. За по-голяма яснота, параболичното огледало на лъч 6 е настроено на прозрачно, а входният и изходният лъч показват само два канала 1 и 7.
Фигура 3 показва пространственото разположение на всяка функционална зона на лазерната система XCELS в експерименталната сграда. Електричество, вакуумни помпи, пречистване на вода, пречистване и климатизация са разположени в сутерена. 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 построена върху два отделни фундамента. Вакуумната и другите системи за индуциране на вибрации са инсталирани върху виброизолирания фундамент, така че амплитудата на смущенията, предавани на лазерната система през фундамента и опората, е намалена до по-малко от 10-10 g2/Hz в честотния диапазон от 1-200 Hz. Освен това в лазерната зала е изградена мрежа от геодезически референтни маркери за систематично наблюдение на отместването на земята и оборудването.
Проектът XCELS има за цел да създаде голямо научноизследователско съоръжение, базирано на лазери с изключително висока пикова мощност. Един канал от лазерната система XCELS може да осигури фокусиран интензитет на светлината няколко пъти по-висок от 1024 W/cm2, който може да бъде допълнително надвишен с 1025 W/cm2 с технология за посткомпресия. Чрез диполно фокусиране на импулси от 12 канала в лазерната система може да се постигне интензитет, близък до 1026 W/cm2, дори без посткомпресия 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 разположение на лъча, бъдещото съоръжение XCELS ще може да извършва експерименти с изключително висок интензитет, сложни разпределения на светлинното поле и да диагностицира взаимодействия, използвайки многоканални лазерни лъчи и вторично лъчение. Това ще играе уникална роля в областта на експерименталната физика на свръхсилните електромагнитни полета.
Време на публикуване: 26 март 2024 г.