Pred kratkim je Inštitut za uporabno fiziko Ruske akademije znanosti predstavil Exawatt Center za študijo ekstremne svetlobe (XCELS), raziskovalnega programa za velike znanstvene naprave, ki temelji na izjemnoLaserji z visoko močjo. Projekt vključuje gradnjo zeloLaser z visoko močjoNa podlagi optične parametrične tehnologije za amplifikacijo impulza v veliki zaslonki kalijevega dideuterijevega fosfata (DKDP, kemijske formule KD2PO4) kristalov s pričakovano skupno proizvodnjo 600 pw največjih impulzov. To delo ponuja pomembne podrobnosti in ugotovitve raziskav o projektu XCELS in njegovih laserskih sistemih, ki opisujejo aplikacije in potencialne vplive, povezane z ultra močnimi interakcijami svetlobnega polja.
Program XCELS je bil predlagan leta 2011 z začetnim ciljem doseganja največje močilaserimpulzni izhod 200 PW, ki je trenutno nadgrajen na 600 pw. Tolaserski sistemse opira na tri ključne tehnologije:
(1) Namesto tradicionalne amplifikacije impulza (Chirped impulz, OPCPA) se uporablja optična parametrična čirpirana impulzna amplifikacija (OPCPA). CPA) tehnologija;
(2) Uporaba DKDP kot srednjega srednjega, ultra širokopasovnega faznega ujemanja se realizira blizu valovne dolžine 910 nm;
(3) Za črpanje parametričnega ojačevalnika se uporablja velik laser za stekleno odprtino z neodimijem s pulzno energijo tisoč joulov.
Ultra široko pasovno fazno ujemanje se pogosto najde v številnih kristalih in se uporablja v OPCPA femtosekundnih laserjih. Kristali DKDP se uporabljajo, ker so edini material, ki ga najdemo v praksi, ki ga je mogoče gojiti na več deset centimetrov zaslonke in hkrati sprejemljive optične lastnosti za podporo ojačevanju več-PW močilaserji. Ugotovljeno je, da ko kristal DKDP črpa z dvojno frekvenčno svetlobo laserja ND stekla, če je nosilna valovna dolžina amplificiranega impulza 910 nm, so prvi trije izrazi taylorjeve ekspanzije valovnega vektorja 0.
Slika 1 je shematična postavitev laserskega sistema XCELS. Sprednji del je ustvaril cvrkljane femtosekundne impulze z osrednjo valovno dolžino 910 nm (1,3 na sliki 1) in 1054 nm nanosekundnih impulzov, vbrizganih v laser, ki je črpal OPCPA (1,1 in 1,2 na sliki 1). Sprednji del zagotavlja tudi sinhronizacijo teh impulzov ter potrebno energijo in prostorskotemporalne parametre. Vmesni OPCPA, ki deluje z večjo hitrostjo ponovitve (1 Hz), poveča cvrkljani impulz na več deset joulov (2 na sliki 1). Utrip se še dodatno ojača s spodbujevalnim OPCPA na en sam kilodžulski žarek in razdeljen na 12 enakih podnožkov (4 na sliki 1). V zadnjih 12 OPCPA se vsak od 12 cvrkljanih svetlobnih impulzov amplificira na raven kilodžara (5 na sliki 1) in nato stisne z 12 stiskalnimi nalepkami (GC od 6 na sliki 1). Na sprednjem koncu se na sprednjem koncu uporablja acousto-optični programirljivi disperzijski filter, da natančno nadzoruje hitrostno disperzijo skupine in disperzijo visokega reda, tako da doseže najmanjšo možno širino impulza. Impulzni spekter ima obliko skoraj 12. reda Supergauss, spektralna pasovna širina pri 1% največje vrednosti pa 150 nm, kar ustreza mejni širini impulza Fourierjeve transformacije 17 fs. Glede na nepopolno kompenzacijo disperzije in težave nelinearne fazne kompenzacije v parametričnih ojačevalcih je pričakovana širina impulza 20 fs.
Laser XCELS bo uporabil dva 8-kanalna UFL-2M neodimijsko stekleno lasersko frekvenco za podvojitev modulov (3 na sliki 1), od katerih bo 13 kanalov uporabljenih za črpanje spodbujevalnega OPCPA in 12 končnih OPCPA. Preostali trije kanali bodo uporabljeni kot impulzni neodvisni nanosekundni kilodžulLaserski viriza druge poskuse. Omejen z optičnim razpadnim pragom kristalov DKDP je intenzivnost obsevanja črpanega impulza nastavljena na 1,5 GW/cm2 za vsak kanal, trajanje pa 3,5 ns.
Vsak kanal laserja XCELS proizvaja impulze z močjo 50 pw. Skupno 12 kanalov zagotavlja skupno izhodno moč 600 pw. V glavni ciljni komori je največja intenzivnost osredotočanja vsakega kanala v idealnih pogojih 0,44 × 1025 w/cm2, ob predpostavki, da se za fokusiranje uporabljajo fokusni elementi F/1. Če se impulz vsakega kanala s tehniko po kompresiji dodatno stisne na 2,6 FS, se ustrezna izhodna impulzna moč poveča na 230 pw, kar ustreza intenzivnosti svetlobe 2,0 × 1025 w/cm2.
Da bi dosegli večjo intenzivnost svetlobe, bodo pri 600 PW izhodi svetlobni impulzi v 12 kanalih usmerjeni v geometrijo inverznega dipolskega sevanja, kot je prikazano na sliki 2. Ko impulzna faza v vsakem kanalu ni zaklenjena, lahko intenzivnost fokusa doseže 9 × 1025 w/cm2. Če je vsaka faza impulza zaklenjena in sinhronizirana, se koherentna intenzivnost svetlobe poveča na 3,2 × 1026 w/cm2. Poleg glavne ciljne sobe projekt XCELS vključuje do 10 uporabniških laboratorijev, pri čemer je vsak prejel enega ali več žarkov za poskuse. Z izjemno močnim svetlobnim poljem projekt XCELS načrtuje izvedbo eksperimentov v štirih kategorijah: kvantne elektrodinamične procese v intenzivnih laserskih poljih; Proizvodnja in pospeševanje delcev; Generacija sekundarnega elektromagnetnega sevanja; Laboratorijska astrofizika, procesi visoke gostote energije in diagnostične raziskave.
Fig. 2 Osredotočenost geometrije v glavni ciljni komori. Za jasnost je parabolično ogledalo žarka 6 nastavljeno na prozorno, vhodni in izhodni žarek pa prikazujeta le dva kanala 1 in 7
Slika 3 prikazuje prostorsko postavitev vsakega funkcionalnega območja laserskega sistema XCELS v eksperimentalni zgradbi. Električna energija, vakuumske črpalke, čiščenje vode, čiščenje in klimatska naprava so nameščeni v kleti. Skupna gradbena površina je več kot 24.000 m2. Skupna poraba energije je približno 7,5 MW. Eksperimentalna zgradba je sestavljena iz notranjega celotnega okvirja in zunanjega odseka, ki je vsak zgrajen na dveh ločenih temeljih. Vakuumski in drugi sistemi, ki povzročajo vibracijo, so nameščeni na podlagi vibracijskih izoliranih, tako da se amplituda motnje, ki se prenaša na laserski sistem s pomočjo temelja in podpore, zmanjša na manj kot 10-10 G2/Hz v frekvenčnem območju 1-200 Hz. Poleg tega je v laserski dvorani postavljena mreža geodetskih referenčnih označevalcev, ki sistematično spremljajo premik tal in opreme.
Cilj projekta XCELS je ustvariti velik znanstveni raziskovalni objekt, ki temelji na izjemno visokih laserjih. En kanal laserskega sistema XCELS lahko zagotovi osredotočeno intenzivnost svetlobe večkrat višjo od 1024 w/cm2, ki jo lahko še dodatno presežemo z 1025 w/cm2 s tehnologijo po kompresiji. Z dipolskimi impulzi iz 12 kanalov v laserskem sistemu je mogoče doseči intenzivnost, ki je blizu 1026 w/cm2, dosežena tudi brez post-kompresije in zaklepanja faz. Če je fazna sinhronizacija med kanali zaklenjena, bo intenzivnost svetlobe večkrat višja. S pomočjo teh rekordnih impulznih intenzivnosti in večkanalnega postavitve žarka bo prihodnji objekt XCELS lahko izvedel eksperimente z izjemno visoko intenzivnostjo, kompleksnimi porazdelitvami svetlobnega polja in diagnosticiral interakcije z uporabo večkanalnih laserskih žarkov in sekundarnega sevanja. To bo imelo edinstveno vlogo na področju super močne eksperimentalne fizike elektromagnetnega polja.
Čas objave: Mar-26-2024