Pred kratkim je Inštitut za uporabno fiziko Ruske akademije znanosti predstavil eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), raziskovalni program za velike znanstvene naprave, ki temeljijo na izjemnolaserji visoke moči. Projekt vključuje izgradnjo zelolaser visoke močitemelji na tehnologiji optičnega parametričnega ojačanja čirpiranih impulzov v kristalih kalijevega dideuterijevega fosfata (DKDP, kemijska formula KD2PO4) z veliko zaslonko, s pričakovano skupno izhodno močjo impulzov največje moči 600 PW. To delo zagotavlja pomembne podrobnosti in ugotovitve raziskav o projektu XCELS in njegovih laserskih sistemih ter opisuje aplikacije in možne vplive, povezane z interakcijami ultra močnega svetlobnega polja.
Program XCELS je bil predlagan leta 2011 s prvotnim ciljem doseganja največje močilaserimpulzna moč 200 PW, ki je trenutno nadgrajena na 600 PW. Njegovolaserski sistemtemelji na treh ključnih tehnologijah:
(1) Tehnologija optičnega parametričnega ojačanja impulza s čipiranjem (OPCPA) se uporablja namesto tradicionalnega ojačanja impulza s čipkanjem (ojačanje s čipkanjem impulza, OPCPA). CPA) tehnologija;
(2) Z uporabo DKDP kot ojačevalnega medija se ultra širokopasovno fazno ujemanje realizira blizu valovne dolžine 910 nm;
(3) Laser iz neodimovega stekla z veliko zaslonko in energijo impulza na tisoče joulov se uporablja za črpanje parametričnega ojačevalnika.
Ultraširokopasovno fazno ujemanje je pogosto prisotno v številnih kristalih in se uporablja v femtosekundnih laserjih OPCPA. Kristali DKDP se uporabljajo, ker so edini material, ki ga najdemo v praksi, ki ga je mogoče gojiti na desetine centimetrov zaslonke in imajo hkrati sprejemljive optične lastnosti za podporo ojačanja več-PW močilaserji. Ugotovljeno je bilo, da ko je kristal DKDP črpan z dvojno frekvenčno svetlobo laserja iz stekla ND, če je nosilna valovna dolžina ojačenega impulza 910 nm, so prvi trije členi Taylorjeve ekspanzije neujemanja valovnega vektorja 0.
Slika 1 je shematska postavitev laserskega sistema XCELS. Sprednji del je generiral čirpane femtosekundne impulze z osrednjo valovno dolžino 910 nm (1,3 na sliki 1) in 1054 nm nanosekundnih impulzov, ki so bili vbrizgani v laser s črpanjem 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 hitrostjo ponavljanja (1 Hz), ojači utripni impulz na desetine joulov (2 na sliki 1). Impulz dodatno ojača Booster OPCPA v en kilodžulski žarek in razdeljen na 12 enakih podžarkov (4 na sliki 1). V zadnjih 12 OPCPA je vsak od 12 čirpanih svetlobnih impulzov ojačan do ravni kilojoulov (5 na sliki 1) in nato stisnjen z 12 kompresijskimi rešetkami (GC 6 na sliki 1). Akustično-optični programabilni disperzijski filter se uporablja na sprednji strani za natančen nadzor disperzije skupinske hitrosti in disperzije visokega reda, da se doseže najmanjša možna širina impulza. Spekter impulza ima obliko skoraj supergaussa 12. reda, 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 težavo nelinearne fazne kompenzacije v parametričnih ojačevalnikih je pričakovana širina impulza 20 fs.
Laser XCELS bo uporabljal dva 8-kanalna modula za podvajanje frekvence laserja iz neodimovega stekla UFL-2M (3 na sliki 1), od katerih bo 13 kanalov uporabljenih za črpanje Booster OPCPA in 12 končnih OPCPA. Preostali trije kanali bodo uporabljeni kot neodvisni nanosekundni kilodžulski impulzilaserski viriza druge poskuse. Omejena s pragom optične razgradnje kristalov DKDP je intenzivnost obsevanja črpanega impulza 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 ostrenja vsakega kanala v idealnih pogojih 0,44×1025 W/cm2, ob predpostavki, da se za ostrenje uporabljajo elementi za fokusiranje F/1. Če se impulz vsakega kanala dodatno stisne na 2,6 fs s tehniko naknadnega stiskanja, se bo ustrezna izhodna impulzna moč povečala na 230 PW, kar ustreza jakosti svetlobe 2,0 × 1025 W/cm2.
Da bi dosegli večjo jakost 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 dosežejo 9×1025 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 izvedbo poskusov v štirih kategorijah: procesi kvantne elektrodinamike v intenzivnih laserskih poljih; Proizvodnja in pospeševanje delcev; Generiranje sekundarnega elektromagnetnega sevanja; Laboratorijska astrofizika, procesi z visoko energijsko gostoto in diagnostične raziskave.
FIG. 2 Geometrija ostrenja v glavni ciljni komori. Zaradi jasnosti je parabolično zrcalo žarka 6 nastavljeno na prozorno, vhodni in izhodni žarek pa prikazujeta samo dva kanala 1 in 7.
Slika 3 prikazuje prostorsko postavitev vsakega funkcionalnega področja laserskega sistema XCELS v eksperimentalni zgradbi. Elektrika, vakuumske črpalke, priprava vode, čiščenje in klimatizacija se nahajajo v kleti. Skupna površina gradnje je več kot 24.000 m2. Skupna poraba energije je približno 7,5 MW. Eksperimentalna zgradba je sestavljena iz notranjega votlega celotnega okvirja in zunanjega dela, ki sta zgrajena na dveh ločenih temeljih. Vakuumski in drugi sistemi za povzročanje vibracij so nameščeni na podlagi, izoliranem od vibracij, 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 hali vzpostavljena mreža geodetskih referenčnih oznak za sistematično spremljanje odmika tal in opreme.
Cilj projekta XCELS je ustvariti veliko znanstvenoraziskovalno ustanovo, ki temelji na laserjih z izjemno visoko konično močjo. En kanal laserskega sistema XCELS lahko zagotovi intenzivnost fokusirane svetlobe nekajkrat večjo od 1024 W/cm2, ki jo je mogoče s tehnologijo postkompresije 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 jakost svetlobe nekajkrat večja. Z uporabo teh rekordnih intenzivnosti impulzov in večkanalne razporeditve žarkov bo prihodnji objekt XCELS lahko izvajal eksperimente z izjemno visoko intenzivnostjo, zapletenimi porazdelitvami svetlobnega polja in diagnosticiral 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