Недавно је Институт за примењену физику Руске академије наука представио eXawatt центар за проучавање екстремне светлости (XCELS), истраживачки програм за велике научне уређаје засноване на изузетноласери велике снагеПројекат обухвата изградњу веомаласер велике снагезасновано на технологији оптичког параметричног појачавања чирпованих импулса у кристалима калијум дидеутеријум фосфата (DKDP, хемијска формула KD2PO4) великог отвора, са очекиваним укупним излазом од 600 PW импулса вршне снаге. Овај рад пружа важне детаље и истраживачке налазе о пројекту XCELS и његовим ласерским системима, описујући примене и потенцијалне утицаје везане за интеракције ултрајаких светлосних поља.
Програм XCELS је предложен 2011. године са почетним циљем постизања вршне снагеласеримпулсни излаз од 200 PW, који је тренутно надограђен на 600 PW. Његовласерски системослања се на три кључне технологије:
(1) Уместо традиционалне технологије појачавања чирпованих импулса (CPA) користи се технологија оптичког параметричног појачавања чирпованих импулса (OPCPA);
(2) Коришћењем DKDP као медијума за појачање, ултраширокопојасно фазно подударање је остварено близу таласне дужине од 910 nm;
(3) Неодимијумски стаклени ласер великог отвора са енергијом импулса од хиљада џула користи се за пумпање параметарског појачавача.
Ултраширокопојасно фазно подударање се широко налази у многим кристалима и користи се у OPCPA фемтосекундним ласерима. DKDP кристали се користе јер су једини материјал који се налази у пракси и који се може узгајати до десетина центиметара отвора бленде, а истовремено имати прихватљиве оптичке квалитете за подршку појачавања вишеструке PW снаге.ласериУтврђено је да када се DKDP кристал пумпа двоструко фреквентном светлошћу ND стакленог ласера, ако је носећа таласна дужина појачаног импулса 910 nm, прва три члана Тејлоровог развоја неусклађености таласног вектора су 0.
Слика 1 је шематски приказ XCELS ласерског система. Предњи крај је генерисао чирпиране фемтосекундне импулсе са централном таласном дужином од 910 nm (1,3 на слици 1) и наносекундне импулсе од 1054 nm убризгане у OPCPA пумпани ласер (1,1 и 1,2 на слици 1). Предњи крај такође обезбеђује синхронизацију ових импулса, као и потребне енергетске и просторно-временске параметре. Међу-OPCPA који ради на вишој брзини понављања (1 Hz) појачава чирпирани импулс на десетине џула (2 на слици 1). Импулс се даље појачава помоћу Booster OPCPA у један килоџулен сноп и дели на 12 идентичних подснопова (4 на слици 1). У коначних 12 OPCPA, сваки од 12 чирпираних светлосних импулса се појачава до нивоа килоџула (5 на слици 1), а затим компресује помоћу 12 компресионих решетки (GC од 6 на слици 1). Акустооптички програмабилни дисперзиони филтер се користи на предњем крају за прецизну контролу дисперзије групне брзине и дисперзије вишег реда, како би се добила најмања могућа ширина импулса. Спектар импулса има облик скоро 12. реда супергауса, а спектрални пропусни опсег на 1% максималне вредности је 150 nm, што одговара граничној ширини импулса Фуријеове трансформације од 17 fs. Узимајући у обзир непотпуну компензацију дисперзије и тешкоће нелинеарне фазне компензације у параметарским појачавачима, очекивана ширина импулса је 20 fs.
XCELS ласер ће користити два 8-канална UFL-2M неодимијумска стаклена ласерска модула за удвостручавање фреквенције (3 на слици 1), од којих ће се 13 канала користити за пумпање појачивача OPCPA и 12 завршног OPCPA. Преостала три канала ће се користити као независни наносекундни килоџулови импулси.ласерски извориза друге експерименте. Ограничен прагом оптичког пробоја DKDP кристала, интензитет зрачења пумпаног импулса је подешен на 1,5 GW/cm2 за сваки канал, а трајање је 3,5 ns.
Сваки канал XCELS ласера производи импулсе снаге 50 PW. Укупно 12 канала обезбеђује укупну излазну снагу од 600 PW. У главној комори циља, максимални интензитет фокусирања сваког канала под идеалним условима је 0,44×10²⁶ W/cm², под претпоставком да се за фокусирање користе елементи фокусирања F/1. Ако се импулс сваког канала додатно компресује на 2,6 fs техником посткомпресије, одговарајућа излазна снага импулса ће се повећати на 230 PW, што одговара интензитету светлости од 2,0×10²⁶ W/cm².
Да би се постигао већи интензитет светлости, при излазној снази од 600 PW, светлосни импулси у 12 канала биће фокусирани у геометрији инверзног диполног зрачења, као што је приказано на слици 2. Када фаза импулса у сваком каналу није закључана, интензитет фокуса може достићи 9×10²⁶ W/cm². Ако је свака фаза импулса закључана и синхронизована, кохерентни резултујући интензитет светлости ће се повећати на 3,2×10²⁶ W/cm². Поред главне просторије за циљање, пројекат XCELS укључује до 10 корисничких лабораторија, од којих свака прима један или више снопова за експерименте. Користећи ово изузетно јако светлосно поље, пројекат XCELS планира да спроведе експерименте у четири категорије: процеси квантне електродинамике у интензивним ласерским пољима; производња и убрзање честица; генерисање секундарног електромагнетног зрачења; лабораторијска астрофизика, процеси високе густине енергије и дијагностичка истраживања.
СЛ. 2 Геометрија фокусирања у главној комори циља. Ради јасноће, параболично огледало снопа 6 је подешено на провидно, а улазни и излазни снопови приказују само два канала 1 и 7.
Слика 3 приказује просторни распоред сваке функционалне области XCELS ласерског система у експерименталној згради. Електрична енергија, вакуум пумпе, третман воде, пречишћавање и климатизација налазе се у подруму. Укупна површина изградње је већа од 24.000 м2. Укупна потрошња енергије је око 7,5 MW. Експериментална зграда се састоји од унутрашњег шупљег укупног оквира и спољашњег дела, сваки изграђен на два одвојена темеља. Вакуум и други системи за изазивање вибрација инсталирани су на темељу изолованом од вибрација, тако да је амплитуда поремећаја који се преноси на ласерски систем кроз темељ и носач смањена на мање од 10-10 g2/Hz у фреквентном опсегу од 1-200 Hz. Поред тога, у ласерској сали постављена је мрежа геодетских референтних маркера како би се систематски пратило померање тла и опреме.
Пројекат XCELS има за циљ стварање великог научноистраживачког центра заснованог на ласерима изузетно високе вршне снаге. Један канал XCELS ласерског система може да обезбеди фокусирани интензитет светлости неколико пута већи од 1024 W/cm2, који се може додатно премашити за 1025 W/cm2 помоћу посткомпресионе технологије. Диполним фокусирањем импулса из 12 канала у ласерском систему, интензитет близу 1026 W/cm2 може се постићи чак и без посткомпресије и фазног закључавања. Ако је фазна синхронизација између канала закључана, интензитет светлости ће бити неколико пута већи. Користећи ове рекордне интензитете импулса и вишеканални распоред снопа, будући XCELS центар ће моћи да изводи експерименте са изузетно високим интензитетом, сложеним расподелама светлосног поља и дијагностикује интеракције користећи вишеканалне ласерске снопове и секундарно зрачење. Ово ће играти јединствену улогу у области експерименталне физике суперјаких електромагнетних поља.
Време објаве: 26. март 2024.