Nylig introduserte Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store vitenskapelige enheter basert på ekstremtLasere med høy kraft. Prosjektet inkluderer bygging av en veldigHøy effektlaserBasert på optisk parametrisk chirped pulsforsterkningsteknologi i stor blenderåpning kaliumdideuteriumfosfat (DKDP, kjemisk formel KD2PO4) krystaller, med en forventet total effekt på 600 PW toppkraftpulser. Dette arbeidet gir viktige detaljer og forskningsresultater om XCELS-prosjektet og dets lasersystemer, som beskriver applikasjoner og potensielle påvirkninger relatert til ultra-sterke lysfeltinteraksjoner.
Xcels -programmet ble foreslått i 2011 med det opprinnelige målet om å oppnå en toppkraftlaserPulsutgang på 200 PW, som for tiden er oppgradert til 600 PW. Det erLasersystemer avhengig av tre viktige teknologier:
(1) Optisk parametrisk kvitret pulsforsterkning (OPCPA) teknologi brukes i stedet for tradisjonell kvitret pulsforsterkning (kvitret pulsforsterkning, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) ved bruk av DKDP som forsterkningsmedium, realiseres Ultra Wideband -fasematching nær 910 nm bølgelengde;
(3) En stor blenderåpning neodym -glasslaser med en pulsenergi på tusenvis av joules brukes til å pumpe en parametrisk forsterker.
Ultra-bredbåndsfasematching er mye funnet i mange krystaller og brukes i OPCPA femtosekundlasere. DKDP-krystaller brukes fordi de er det eneste materialet som finnes i praksis som kan dyrkes til titalls centimeter med blenderåpning og samtidig har akseptable optiske egenskaper for å støtte forsterkning av multi-PW-effektlasere. Det er funnet at når DKDP -krystallen pumpes av dobbeltfrekvenslyset til ND -glasslaseren, hvis bærerbølgelengden til den forsterkede pulsen er 910 nm, er de tre første begrepene for Taylor -utvidelsen av bølgevektorens feilpasning 0.
Figur 1 er en skjematisk utforming av XCELS -lasersystemet. Frontenden genererte kvitte femtosekundpulser med en sentral bølgelengde på 910 nm (1,3 i figur 1) og 1054 nm nanosekundpulser injisert i OPCPA pumpet laser (1.1 og 1.2 i figur 1). Frontenden sikrer også synkronisering av disse pulser så vel som den nødvendige energi og spatiotemporale parametere. En mellomliggende OPCPA som opererer med en høyere repetisjonshastighet (1 Hz) forsterker den kvitte pulsen til titalls joules (2 i figur 1). Pulsen forsterkes ytterligere av booster opcpa i en enkelt kilojoule-bjelke og delt inn i 12 identiske underbjelker (4 i figur 1). I de endelige 12 OPCPA forsterkes hver av de 12 kvitte lyspulsene til kilojoule -nivået (5 i figur 1) og deretter komprimert med 12 kompresjonsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare spredningsfilteret brukes i frontenden til nøyaktig kontrollgruppehastighetsspredning og høye ordens spredning, for å oppnå minste mulige pulsbredde. Pulsspekteret har en form på nesten 12. ordens supergauss, og den spektrale båndbredden til 1% av maksimalverdien er 150 nm, tilsvarende Fourier transformgrensen pulsbredde på 17 fs. Tatt i betraktning den ufullstendige spredningskompensasjonen og vanskeligheten med ikke -lineær fasekompensasjon i parametriske forsterkere, er den forventede pulsbredden 20 fs.
Xcels-laseren vil bruke to 8-kanals UFL-2M neodymiumglasslaserfrekvens doblingsmoduler (3 i figur 1), hvorav 13 kanaler vil bli brukt til å pumpe booster OPCPA og 12 endelige OPCPA. De resterende tre kanalene vil bli brukt som uavhengige nanosekundkilojoule pulserendeLaserkilderfor andre eksperimenter. Begrenset av den optiske nedbrytningsterskelen til DKDP -krystaller, er bestrålingsintensiteten til den pumpet pulsen satt til 1,5 GW/cm2 for hver kanal og varigheten er 3,5 ns.
Hver kanal på Xcels -laseren produserer pulser med en kraft på 50 PW. Totalt 12 kanaler gir en total utgangseffekt på 600 PW. I hovedmålkammeret er den maksimale fokuseringsintensiteten til hver kanal under ideelle forhold 0,44 × 1025 w/cm2, forutsatt at f/1 fokuseringselementer brukes til fokus. Hvis pulsen til hver kanal blir ytterligere komprimert til 2,6 FS etter post-kompresjonsteknikk, vil den tilsvarende utgangspulsekraften økes til 230 PW, tilsvarende lysintensiteten på 2,0 × 1025 W/cm2.
For å oppnå større lysintensitet, ved 600 PW -utgangen, vil lyspulsene i de 12 kanalene være fokusert i geometrien til omvendt dipolstråling, som vist i figur 2. Når pulsfasen i hver kanal ikke er låst, kan fokusintensiteten nå 9 × 1025 vekt/cm2. Hvis hver pulsfase er låst og synkronisert, vil den sammenhengende resulterende lysintensiteten økes til 3,2 × 1026 W/cm2. I tillegg til hovedmålrommet inkluderer XCELS -prosjektet opptil 10 brukerlaboratorier, som hver mottar en eller flere bjelker for eksperimenter. Ved å bruke dette ekstremt sterke lysfeltet planlegger Xcels -prosjektet å utføre eksperimenter i fire kategorier: kvanteelektrodynamikkprosesser i intense laserfelt; Produksjon og akselerasjon av partikler; Generasjonen av sekundær elektromagnetisk stråling; Laboratorie astrofysikk, høye energitetthetsprosesser og diagnostisk forskning.
Fig. 2 Fokuseringsgeometri i hovedmålkammeret. For klarhet er det parabolske speilet til Beam 6 satt til gjennomsiktig, og inngangs- og utgangsstrålene viser bare to kanaler 1 og 7
Figur 3 viser den romlige utformingen av hvert funksjonelt område i XCELS -lasersystemet i den eksperimentelle bygningen. Elektrisitet, vakuumpumper, vannbehandling, rensing og klimaanlegg er plassert i kjelleren. Det totale byggearealet er mer enn 24 000 m2. Det totale strømforbruket er omtrent 7,5 MW. Den eksperimentelle bygningen består av en intern hul samlet ramme og en ekstern seksjon, hver bygget på to avkoblede fundamenter. Vakuumet og andre vibrasjonsinduserende systemer er installert på det vibrasjonsisolerte fundamentet, slik at amplituden til forstyrrelsen som overføres til lasersystemet gjennom fundamentet og støtten reduseres til mindre enn 10-10 G2/Hz i frekvensområdet 1-200 Hz. I tillegg er et nettverk av geodesiske referansemarkører satt opp i laserhallen for systematisk å overvåke driften av bakken og utstyret.
Xcels -prosjektet tar sikte på å lage et stort vitenskapelig forskningsanlegg basert på ekstremt høye toppkraftslasere. En kanal i Xcels-lasersystemet kan gi en fokusert lysintensitet flere ganger høyere enn 1024 W/cm2, som ytterligere kan overskrides med 1025 W/cm2 med post-kompresjonsteknologi. Ved å dipolfokusere pulser fra 12 kanaler i lasersystemet, kan en intensitet nær 1026 W/CM2 oppnås selv uten post-kompresjon og faselåsing. Hvis fasesynkroniseringen mellom kanaler er låst, vil lysintensiteten være flere ganger høyere. Ved å bruke disse rekordstore pulsintensitetene og flerkanalsstråleoppsettet, vil det fremtidige XCELS-anlegget kunne utføre eksperimenter med ekstremt høy intensitet, komplekse lysfeltfordelinger og diagnostisere interaksjoner ved bruk av flerkanals laserstråler og sekundær stråling. Dette vil spille en unik rolle innen supersterkt elektromagnetisk felteksperimentell fysikk.
Post Time: Mar-26-2024