Nylig introduserte Institute of Applied Physics ved det russiske vitenskapsakademiet eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store vitenskapelige enheter basert på ekstremthøyeffektlasere. Prosjektet omfatter bygging av en sværthøy effekt laserbasert på optisk parametrisk chirped puls amplification-teknologi i kaliumdideuteriumfosfatkrystaller med stor åpning (DKDP, kjemisk formel KD2PO4), med en forventet total effekt på 600 PW toppeffektpulser. Dette arbeidet gir viktige detaljer og forskningsresultater om XCELS-prosjektet og dets lasersystemer, og beskriver applikasjoner og potensielle påvirkninger relatert til ultrasterke lysfeltinteraksjoner.
XCELS-programmet ble foreslått i 2011 med det opprinnelige målet om å oppnå toppeffektlaserpulseffekt på 200 PW, som i dag er oppgradert til 600 PW. Denslasersystemer avhengig av tre nøkkelteknologier:
(1) Optisk parametrisk Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-teknologi brukes i stedet for tradisjonell Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) Ved å bruke DKDP som forsterkningsmedium realiseres ultrabredbåndsfasetilpasning nær 910 nm bølgelengde;
(3) En neodymglasslaser med stor blenderåpning med en pulsenergi på tusenvis av joule brukes til å pumpe en parametrisk forsterker.
Ultrabredbåndsfasetilpasning 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 vokse til titalls centimeter med blenderåpning og samtidig har akseptable optiske kvaliteter for å støtte forsterkning av multi-PW-effektlasere. Det er funnet at når DKDP-krystallen pumpes av dobbeltfrekvenslyset til ND-glasslaseren, hvis bærebølgelengden til den forsterkede pulsen er 910 nm, er de tre første leddene i Taylor-utvidelsen av bølgevektorens mistilpasning 0.
Figur 1 er en skjematisk layout av XCELS-lasersystemet. Frontenden genererte kvitrede 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 sørger også for synkroniseringen av disse pulsene samt de nødvendige energi- og spatiotemporale parametere. En mellomliggende OPCPA som opererer med en høyere repetisjonshastighet (1 Hz) forsterker den kvitrede pulsen til titalls joule (2 i figur 1). Pulsen blir ytterligere forsterket av Booster OPCPA til en enkelt kilojoule stråle og delt inn i 12 identiske understråler (4 i figur 1). I de siste 12 OPCPAene blir hver av de 12 kvitrede lyspulsene forsterket til kilojoule-nivået (5 i figur 1) og deretter komprimert av 12 kompresjonsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare spredningsfilteret brukes i frontenden for nøyaktig å kontrollere gruppehastighetsspredning og høyordensspredning, for å oppnå minst mulig pulsbredde. Pulsspekteret har en form på nesten 12. ordens supergauss, og den spektrale båndbredden ved 1 % av maksimalverdien er 150 nm, tilsvarende Fourier-transformasjonsgrensen for 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 neodymglass laserfrekvensdoblingsmoduler (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 uavhengig nanosekund-kilojoule pulsetlaserkilderfor andre eksperimenter. Begrenset av den optiske nedbrytningsterskelen til DKDP-krystallene, er bestrålingsintensiteten til den pumpede pulsen satt til 1,5 GW/cm2 for hver kanal og varigheten er 3,5 ns.
Hver kanal i XCELS-laseren produserer pulser med en effekt på 50 PW. Totalt 12 kanaler gir en total utgangseffekt på 600 PW. I hovedmålkammeret er den maksimale fokuseringsintensiteten for hver kanal under ideelle forhold 0,44×1025 W/cm2, forutsatt at F/1-fokuseringselementer brukes til fokusering. Hvis pulsen til hver kanal komprimeres ytterligere til 2,6 fs ved postkompresjonsteknikk, vil den tilsvarende utgangspulseffekten økes til 230 PW, tilsvarende lysintensiteten på 2,0×1025 W/cm2.
For å oppnå større lysintensitet, ved 600 PW utgang, vil lyspulsene i de 12 kanalene fokuseres i geometrien til invers dipolstråling, som vist i figur 2. Når pulsfasen i hver kanal ikke er låst, kan fokusintensiteten nå 9×1025 W/cm2. Hvis hver pulsfase er låst og synkronisert, vil den koherente 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 stråler for eksperimenter. Ved å bruke dette ekstremt sterke lysfeltet planlegger XCELS-prosjektet å utføre eksperimenter i fire kategorier: kvanteelektrodynamiske prosesser i intense laserfelt; Produksjon og akselerasjon av partikler; Generering av sekundær elektromagnetisk stråling; Laboratorieastrofysikk, prosesser med høy energitetthet og diagnostisk forskning.
FIG. 2 Fokuseringsgeometri i hovedmålkammeret. For klarhetens skyld er parabolspeilet til stråle 6 satt til transparent, og inngangs- og utgangsstrålene viser bare to kanaler 1 og 7
Figur 3 viser den romlige utformingen av hvert funksjonsområde i XCELS-lasersystemet i forsøksbygningen. Strøm, vakuumpumper, vannbehandling, rensing og klimaanlegg er plassert i kjelleren. Det totale byggearealet er på mer enn 24 000 m2. Totalt strømforbruk er ca 7,5 MW. Forsøksbygget består av en innvendig hul totalramme og en utvendig seksjon, hver bygget på to frakoblede 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 på 1-200 Hz. I tillegg er det satt opp et nettverk av geodesiske referansemarkører i laserhallen for systematisk å overvåke avdriften i bakken og utstyr.
XCELS-prosjektet har som mål å skape et stort vitenskapelig forskningsanlegg basert på lasere med ekstremt høy toppeffekt. Én kanal i XCELS-lasersystemet kan gi en fokusert lysintensitet flere ganger høyere enn 1024 W/cm2, som kan overskrides ytterligere med 1025 W/cm2 med postkomprimeringsteknologi. Ved dipolfokuserende pulser fra 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet nær 1026 W/cm2 oppnås selv uten etterkompresjon og faselåsing. Hvis fasesynkroniseringen mellom kanaler er låst, vil lysintensiteten være flere ganger høyere. Ved å bruke disse rekordbrytende 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 eksperimentell fysikk med supersterk elektromagnetisk felt.
Innleggstid: 26. mars 2024