Недавно је Институт за примењену физику Руске академије наука представио еКсават центар за проучавање екстремне светлости (КСЦЕЛС), истраживачки програм за велике научне уређаје заснован на изузетноласери велике снаге. Пројекат обухвата изградњу веомаласер велике снагезасновано на технологији оптичког параметарског чирпованог појачања импулса у кристалима калијум дидеутеријум фосфата великог отвора (ДКДП, хемијска формула КД2ПО4), са очекиваним укупним излазом од 600 ПВ вршних импулса снаге. Овај рад пружа важне детаље и налазе истраживања о пројекту КСЦЕЛС и његовим ласерским системима, описујући примене и потенцијалне утицаје у вези са ултра-јаким интеракцијама светлосног поља.
КСЦЕЛС програм је предложен 2011. са почетним циљем да се постигне вршна снагаласеримпулсни излаз од 200 ПВ, који је тренутно надограђен на 600 ПВ. Његоволасерски системослања се на три кључне технологије:
(1) Технологија оптичког параметарског појачања импулса (ОПЦПА) се користи уместо традиционалног појачања пулсног импулса (опцијано појачање импулса, ОПЦПА). ЦПА) технологија;
(2) Коришћењем ДКДП као медијума за појачавање, ултра широкопојасно фазно усклађивање је реализовано близу таласне дужине од 910 нм;
(3) Ласер од неодимијумског стакла великог отвора са импулсном енергијом од хиљада џула користи се за пумпање параметарског појачавача.
Ултра-широкопојасно усклађивање фаза се широко налази у многим кристалима и користи се у ОПЦПА фемтосекундним ласерима. ДКДП кристали се користе јер су једини материјал који се налази у пракси који се може нарасти до десетина центиметара отвора и истовремено имају прихватљиве оптичке квалитете да подрже појачавање више-ПВ снагеласери. Утврђено је да када се ДКДП кристал пумпа светлошћу двоструке фреквенције НД стакленог ласера, ако је таласна дужина носача појачаног импулса 910 нм, прва три члана Тејлоровог проширења неусклађености таласног вектора су 0.
Слика 1 је шематски изглед КСЦЕЛС ласерског система. Предњи крај је генерисао фреквентне фемтосекундне импулсе са централном таласном дужином од 910 нм (1,3 на слици 1) и импулсе од 1054 нм наносекунде убризгане у ОПЦПА 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. Средњи ОПЦПА који ради при већој стопи понављања (1 Хз) појачава чирпирани импулс на десетине џула (2 на слици 1). Пулс се даље појачава помоћу Боостер ОПЦПА у један килоџул сноп и дели на 12 идентичних под-зрака (4 на слици 1). У коначних 12 ОПЦПА, сваки од 12 цирпираних светлосних импулса је појачан до нивоа килоџула (5 на слици 1), а затим компримован са 12 компресионих решетки (ГЦ од 6 на слици 1). Акусто-оптички програмабилни дисперзиони филтер се користи на предњем крају да прецизно контролише дисперзију групне брзине и дисперзију високог реда, тако да се добије најмања могућа ширина импулса. Спектар импулса има облик скоро 12. реда супергауса, а ширина спектра на 1% максималне вредности је 150 нм, што одговара граничној ширини импулса Фуријеове трансформације од 17 фс. С обзиром на непотпуну компензацију дисперзије и потешкоће нелинеарне фазне компензације у параметарским појачавачима, очекивана ширина импулса је 20 фс.
КСЦЕЛС ласер ће користити два 8-канална УФЛ-2М модула за удвостручавање фреквенције ласерског ласера од неодимијумског стакла (3 на слици 1), од којих ће 13 канала бити коришћено за пумпање Боостер ОПЦПА и 12 коначних ОПЦПА. Преостала три канала ће се користити као независни наносекундни килоџул импулсниласерски извориза друге експерименте. Ограничен прагом оптичког слома ДКДП кристала, интензитет зрачења пумпаног импулса је подешен на 1,5 ГВ/цм2 за сваки канал и трајање је 3,5 нс.
Сваки канал КСЦЕЛС ласера производи импулсе снаге 50 ПВ. Укупно 12 канала обезбеђује укупну излазну снагу од 600 ПВ. У главној циљној комори, максимални интензитет фокусирања сваког канала у идеалним условима је 0,44×1025 В/цм2, под претпоставком да се за фокусирање користе Ф/1 фокусни елементи. Ако се импулс сваког канала даље компримује на 2,6 фс техником пост-компресије, одговарајућа излазна импулсна снага ће се повећати на 230 ПВ, што одговара интензитету светлости од 2,0×1025 В/цм2.
Да би се постигао већи интензитет светлости, при излазној снази од 600 ПВ, 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 достижу 9×1025 В/цм2. Ако је свака фаза импулса закључана и синхронизована, кохерентни резултујући интензитет светлости ће се повећати на 3,2×1026 В/цм2. Поред главне циљне собе, КСЦЕЛС пројекат укључује до 10 корисничких лабораторија, од којих свака прима једну или више зрака за експерименте. Користећи ово изузетно јако светлосно поље, КСЦЕЛС пројекат планира да спроведе експерименте у четири категорије: квантно-електродинамички процеси у интензивним ласерским пољима; Производња и убрзање честица; Генерисање секундарног електромагнетног зрачења; Лабораторијска астрофизика, процеси високе густине енергије и дијагностичка истраживања.
Фиг. 2 Геометрија фокуса у главној циљној комори. Ради јасноће, параболично огледало зрака 6 је постављено на провидно, а улазни и излазни снопови показују само два канала 1 и 7
На слици 3 приказан је просторни распоред сваке функционалне области КСЦЕЛС ласерског система у експерименталној згради. У сутерену се налазе струја, вакум пумпе, третман воде, пречишћавање и климатизација. Укупна грађевинска површина је више од 24.000 м2. Укупна потрошња енергије је око 7,5 МВ. Експериментална зграда се састоји од унутрашњег шупљег оквира и спољашњег дела, од којих је сваки изграђен на два одвојена темеља. Вакуумски и други системи за индуковање вибрација се уграђују на вибрационо изоловану основу, тако да се амплитуда сметње која се преноси на ласерски систем преко темеља и носача смањује на мање од 10-10 г2/Хз у фреквенцијском опсегу од 1-200 Хз. Поред тога, у ласерској хали је постављена мрежа геодетских референтних маркера како би се систематски пратило заношење тла и опреме.
Пројекат КСЦЕЛС има за циљ стварање великог научно-истраживачког објекта заснованог на ласерима изузетно велике вршне снаге. Један канал КСЦЕЛС ласерског система може да обезбеди фокусирани интензитет светлости неколико пута већи од 1024 В/цм2, који се даље може премашити за 1025 В/цм2 са технологијом пост-компресије. Пулсима диполног фокусирања из 12 канала у ласерском систему, интензитет близу 1026 В/цм2 може се постићи чак и без накнадне компресије и фазног закључавања. Ако је синхронизација фаза између канала закључана, интензитет светлости ће бити неколико пута већи. Користећи ове рекордне интензитете импулса и вишеканални распоред зрака, будући КСЦЕЛС објекат ће моћи да изводи експерименте са изузетно високим интензитетом, сложеним дистрибуцијама светлосног поља и дијагностикује интеракције коришћењем вишеканалних ласерских зрака и секундарног зрачења. Ово ће играти јединствену улогу у области експерименталне физике супер-јаког електромагнетног поља.
Време поста: 26.03.2024