Inštitut za uporabno fiziko Ruske akademije znanosti je nedavno predstavil Center eXawatt za ekstremne svetlobne študije (XCELS), raziskovalni program za velike znanstvene naprave, ki temeljijo na izjemnovisokozmogljivi laserjiProjekt vključuje izgradnjo zelovisokozmogljivi lasertemelji na tehnologiji optičnega parametričnega ojačanja impulzov s čirpiranjem v kristalih kalijevega didevterijevega fosfata (DKDP, kemijska formula KD2PO4) z veliko aperturo, s pričakovano skupno izhodno močjo impulzov vršne moči 600 PW. To delo ponuja pomembne podrobnosti in raziskovalne ugotovitve o projektu XCELS in njegovih laserskih sistemih ter opisuje aplikacije in morebitne vplive, povezane z interakcijami ultra močnih svetlobnih polj.
Program XCELS je bil predlagan leta 2011 z začetnim ciljem doseganja največje močilaserimpulzni izhod 200 PW, ki je trenutno nadgrajen na 600 PW.laserski sistemtemelji na treh ključnih tehnologijah:
(1) Namesto tradicionalne tehnologije ojačanja čirpiranih impulzov (OPCPA) se uporablja tehnologija optičnega parametričnega ojačanja čirpiranih impulzov (OPCPA);
(2) Z uporabo DKDP kot ojačevalnega medija se doseže ultra širokopasovno fazno ujemanje blizu valovne dolžine 910 nm;
(3) Za črpanje parametričnega ojačevalnika se uporablja neodimski stekleni laser z veliko odprtino in energijo impulza tisoč joulov.
Ultraširokopasovno fazno ujemanje se pogosto uporablja v številnih kristalih in se uporablja v femtosekundnih laserjih OPCPA. Kristali DKDP se uporabljajo, ker so edini material, ki ga najdemo v praksi in ga je mogoče vzgojiti do več deset centimetrov odprtine, hkrati pa ima sprejemljive optične lastnosti za podporo ojačanja moči več PW.laserjiUgotovljeno je, da ko kristal DKDP črpamo z dvojno frekvenčno svetlobo ND steklenega laserja, če je nosilna valovna dolžina ojačanega impulza 910 nm, so prvi trije členi Taylorjeve ekspanzije neusklajenosti valovnega vektorja enaki 0.
Slika 1 je shematski prikaz laserskega sistema XCELS. Sprednji del je generiral čirpane femtosekundne impulze s centralno valovno dolžino 910 nm (1,3 na sliki 1) in nanosekundne impulze 1054 nm, vbrizgane v črpani laser OPCPA (1,1 in 1,2 na sliki 1). Sprednji del zagotavlja tudi sinhronizacijo teh impulzov ter zahtevane energijske in prostorsko-časovne parametre. Vmesni OPCPA, ki deluje z višjo frekvenco ponavljanja (1 Hz), ojača čirpane impulze na desetine joulov (2 na sliki 1). Impulz dodatno ojača ojačevalni OPCPA v en sam kilodžulov žarek in ga razdeli na 12 enakih podžarkov (4 na sliki 1). V končnih 12 OPCPA se vsak od 12 čirpanih svetlobnih impulzov ojača na raven kilodžulov (5 na sliki 1) in nato stisne z 12 kompresijskimi rešetkami (GC 6 na sliki 1). Akustično-optični programabilni disperzijski filter se uporablja na sprednjem delu za natančno krmiljenje disperzije skupinske hitrosti in disperzije višjega reda, da se doseže najmanjša možna širina impulza. Spekter impulza ima obliko skoraj 12. reda supergaussa, spektralna pasovna širina pri 1 % največje vrednosti pa je 150 nm, kar ustreza mejni širini impulza Fourierjeve transformacije 17 fs. Glede na nepopolno kompenzacijo disperzije in težave z nelinearno fazno kompenzacijo v parametričnih ojačevalnikih je pričakovana širina impulza 20 fs.
Laser XCELS bo uporabljal dva 8-kanalna modula za podvojitev frekvence neodimskega steklenega laserja UFL-2M (3 na sliki 1), od katerih bo 13 kanalov uporabljenih za črpanje ojačevalnega OPCPA in 12 končnega OPCPA. Preostali trije kanali bodo uporabljeni kot neodvisni nanosekundni kilodžuli impulzi.laserski viriza druge poskuse. Ker je intenzivnost obsevanja črpanega impulza omejena z optičnim pragom preboja kristalov DKDP, je nastavljena na 1,5 GW/cm2 za vsak kanal, trajanje pa je 3,5 ns.
Vsak kanal laserja XCELS proizvaja impulze z močjo 50 PW. Skupaj 12 kanalov zagotavlja skupno izhodno moč 600 PW. V glavni ciljni komori je največja intenzivnost fokusiranja vsakega kanala v idealnih pogojih 0,44 × 10²⁶ W/cm², ob predpostavki, da se za fokusiranje uporabljajo elementi za fokusiranje F/1. Če impulz vsakega kanala s tehniko naknadne kompresije dodatno stisnemo na 2,6 fs, se ustrezna izhodna moč impulza poveča na 230 PW, kar ustreza intenzivnosti svetlobe 2,0 × 10²⁶ W/cm².
Za doseganje večje intenzivnosti svetlobe bodo pri izhodni moči 600 PW svetlobni impulzi v 12 kanalih fokusirani v geometriji inverznega dipolnega sevanja, kot je prikazano na sliki 2. Ko faza impulza v vsakem kanalu ni zaklenjena, lahko intenzivnost fokusa doseže 9 × 10²⁶ W/cm². Če je vsaka faza impulza zaklenjena in sinhronizirana, se bo koherentna rezultantna intenzivnost svetlobe povečala na 3,2 × 10²⁶ W/cm². Poleg glavne ciljne sobe projekt XCELS vključuje do 10 uporabniških laboratorijev, od katerih vsak prejme enega ali več žarkov za poskuse. Z uporabo tega izjemno močnega svetlobnega polja projekt XCELS načrtuje izvajanje poskusov v štirih kategorijah: procesi kvantne elektrodinamike v intenzivnih laserskih poljih; proizvodnja in pospeševanje delcev; generiranje sekundarnega elektromagnetnega sevanja; laboratorijska astrofizika, procesi visoke gostote energije in diagnostične raziskave.
SLIKA 2 Geometrija fokusiranja v glavni tarčni komori. Zaradi jasnosti je parabolično zrcalo žarka 6 nastavljeno na prozorno, vhodni in izhodni žarek pa prikazujeta le dva kanala 1 in 7.
Slika 3 prikazuje prostorsko razporeditev posameznih funkcionalnih območij laserskega sistema XCELS v eksperimentalni stavbi. Elektrika, vakuumske črpalke, čiščenje vode, čiščenje in klimatizacija se nahajajo v kleti. Skupna površina stavbe je več kot 24.000 m2. Skupna poraba energije je približno 7,5 MW. Eksperimentalna stavba je sestavljena iz notranjega votlega okvirja in zunanjega dela, vsak zgrajen na dveh ločenih temeljih. Vakuumski in drugi sistemi za povzročanje vibracij so nameščeni na vibracijsko izoliranem temelju, tako da se amplituda motenj, ki se prenašajo na laserski sistem skozi temelj in oporo, zmanjša na manj kot 10-10 g2/Hz v frekvenčnem območju 1-200 Hz. Poleg tega je v laserski dvorani postavljena mreža geodetskih referenčnih markerjev za sistematično spremljanje premika tal in opreme.
Projekt XCELS si prizadeva ustvariti velik znanstvenoraziskovalni objekt, ki temelji na laserjih z izjemno visoko vršno močjo. En kanal laserskega sistema XCELS lahko zagotovi fokusirano intenzivnost svetlobe, ki je nekajkrat višja od 1024 W/cm2, kar je mogoče s tehnologijo postkompresije dodatno preseči za 1025 W/cm2. Z dipolnim fokusiranjem impulzov iz 12 kanalov v laserskem sistemu je mogoče doseči intenzivnost blizu 1026 W/cm2 tudi brez postkompresije in faznega zaklepanja. Če je fazna sinhronizacija med kanali zaklenjena, bo intenzivnost svetlobe nekajkrat višja. Z uporabo teh rekordnih intenzivnosti impulzov in večkanalne postavitve žarka bo bodoči objekt XCELS sposoben izvajati poskuse z izjemno visoko intenzivnostjo, kompleksnimi porazdelitvami svetlobnega polja ter diagnosticirati interakcije z uporabo večkanalnih laserskih žarkov in sekundarnega sevanja. To bo imelo edinstveno vlogo na področju eksperimentalne fizike super močnega elektromagnetnega polja.
Čas objave: 26. marec 2024