Det russiske vitenskapsakademiet XCELS planlegger å bygge 600PW lasere

Nylig introduserte Institutt for anvendt fysikk ved det russiske vitenskapsakademiet eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store vitenskapelige enheter basert på ekstremthøyeffektslasereProsjektet omfatter bygging av en sværthøyeffektslaserbasert på optisk parametrisk kvitrende pulsforsterkningteknologi i kaliumdideuteriumfosfat (DKDP, kjemisk formel KD2PO4)-krystaller med stor apertur, med en forventet total effekt på 600 PW toppeffektpulser. Dette arbeidet gir viktige detaljer og forskningsfunn om XCELS-prosjektet og dets lasersystemer, og beskriver bruksområder og potensielle virkninger knyttet til ultrasterke lysfeltinteraksjoner.

XCELS-programmet ble foreslått i 2011 med det opprinnelige målet å oppnå en toppeffektlaserpulsutgang på 200 PW, som for øyeblikket er oppgradert til 600 PW. Denslasersystemer avhengig av tre nøkkelteknologier:
(1) Optisk parametrisk kvitret pulsforsterkning (OPCPA)-teknologi brukes i stedet for tradisjonell kvitret pulsforsterkning (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA)-teknologi;
(2) Ved å bruke DKDP som forsterkningsmedium, oppnås ultrabredbåndsfasetilpasning nær 910 nm bølgelengde;
(3) En neodymglasslaser med stor blenderåpning og en pulsenergi på tusenvis av joule brukes til å pumpe en parametrisk forsterker.
Ultrabredbåndsfasetilpasning finnes i stor grad 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 blenderåpning og samtidig ha akseptable optiske egenskaper for å støtte forsterkning av multi-PW-effekt.lasereDet er funnet at når DKDP-krystallen pumpes av dobbeltfrekvenslyset fra ND-glasslaseren, og bærebølgelengden til den forsterkede pulsen er 910 nm, er de tre første leddene i Taylor-ekspansjonen av bølgevektormismatchen 0.

Figur 1 er en skjematisk fremstilling av XCELS-lasersystemet. Frontenden genererte kvitrende femtosekundpulser med en sentral bølgelengde på 910 nm (1,3 i figur 1) og 1054 nm nanosekundpulser injisert i OPCPA-pumpelaseren (1,1 og 1,2 i figur 1). Frontenden sikrer også synkroniseringen av disse pulsene, samt den nødvendige energien og spatiotemporale parameterne. En mellomliggende OPCPA som opererer med en høyere repetisjonsfrekvens (1 Hz) forsterker den kvitrende pulsen til titalls joule (2 i figur 1). Pulsen forsterkes ytterligere av Booster OPCPA til en enkelt kilojoulestråle og deles inn i 12 identiske delstråler (4 i figur 1). I de siste 12 OPCPA-ene forsterkes hver av de 12 kvitrende lyspulsene til kilojoulenivået (5 i figur 1) og komprimeres deretter av 12 kompresjonsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare dispersjonsfilteret brukes i frontenden for å nøyaktig kontrollere gruppehastighetsdispersjon og høyere ordens dispersjon, for å oppnå minst mulig pulsbredde. Pulsspekteret har en form på nesten 12. ordens supergauss, og den spektrale båndbredden ved 1 % av maksimumsverdien er 150 nm, som tilsvarer Fourier-transformasjonens grensepulsbredde på 17 fs. Med tanke på den ufullstendige dispersjonskompensasjonen og vanskeligheten med ikke-lineær fasekompensasjon i parametriske forsterkere, er den forventede pulsbredden 20 fs.

XCELS-laseren vil benytte to 8-kanals UFL-2M neodymglasslaserfrekvensdoblingsmoduler (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 nanosekund kilojoule pulsede.laserkilderfor andre eksperimenter. Begrenset av den optiske gjennombruddsterskelen 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 hjelp av etterkomprimeringsteknikk, vil den tilsvarende utgangspulseffekten økes til 230 PW, som tilsvarer en lysintensitet på 2,0 × 1025 W/cm2.

For å oppnå høyere lysintensitet, ved 600 PW utgang, vil lyspulsene i de 12 kanalene bli fokusert 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 det parabolske speilet i 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. 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. Forsøksbygningen består av en intern hul totalramme og en utvendig seksjon, hver bygget på to frakoblede fundamenter. Vakuum- 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 det satt opp et nettverk av geodesiske referansemarkører i laserhallen for systematisk å overvåke driften av bakken og utstyret.

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 som er flere ganger høyere enn 1024 W/cm2, noe som kan overgås ytterligere med 1025 W/cm2 med etterkompresjonsteknologi. Ved å dipolfokusere pulser fra 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet nær 1026 W/cm2 oppnås selv uten etterkompresjon og faselåsing. Hvis fasesynkroniseringen mellom kanalene 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 hjelp av flerkanals laserstråler og sekundærstråling. Dette vil spille en unik rolle innen eksperimentell fysikk for supersterke elektromagnetiske felt.