Nedavno je Institut za primenjenu fiziku Ruske akademije nauka predstavio eXawatt centar za proučavanje ekstremne svetlosti (XCELS), istraživački program za velike naučne uređaje zasnovan na izuzetnolaseri velike snage. Projekt uključuje izgradnju vrlolaser velike snagebaziran na tehnologiji optičkog parametarskog čirpovanog pojačanja impulsa u kristalima kalijum dideuterijum fosfata velikog otvora (DKDP, hemijska formula KD2PO4), sa očekivanim ukupnim izlazom od 600 PW vršnih impulsa snage. Ovaj rad pruža važne detalje i nalaze istraživanja o projektu XCELS i njegovim laserskim sistemima, opisujući primjene i potencijalne utjecaje koji se odnose na ultra-jake interakcije svjetlosnog polja.
XCELS program je predložen 2011. sa početnim ciljem postizanja vršne snagelaserimpulsni izlaz od 200 PW, koji je trenutno nadograđen na 600 PW. Njegovolaserski sistemoslanja se na tri ključne tehnologije:
(1) Tehnologija optičkog parametarskog pojačanja impulsa (OPCPA) se koristi umjesto tradicionalnog pojačanja impulsa sa čirom (OPCPA). CPA) tehnologija;
(2) Koristeći DKDP kao medij za pojačanje, ultra širokopojasno fazno usklađivanje je realizovano blizu talasne dužine od 910 nm;
(3) Laser od neodimijumskog stakla velikog otvora sa impulsnom energijom od hiljada džula koristi se za pumpanje parametarskog pojačala.
Ultra-širokopojasno fazno usklađivanje se široko nalazi u mnogim kristalima i koristi se u OPCPA femtosekundnim laserima. DKDP kristali se koriste jer su jedini materijal koji se nalazi u praksi koji se može narasti do desetina centimetara otvora, a istovremeno imaju prihvatljive optičke kvalitete da podrže pojačanje više-PW snagelaseri. Utvrđeno je da kada se DKDP kristal pumpa svjetlošću dvostruke frekvencije lasera ND stakla, ako je valna dužina nosača pojačanog impulsa 910 nm, prva tri člana Taylorovog proširenja neusklađenosti valnog vektora su 0.
Slika 1 je šematski izgled XCELS laserskog sistema. Prednji kraj je generirao cirpirane femtosekundne impulse sa centralnom talasnom dužinom od 910 nm (1,3 na slici 1) i impulse od 1054 nm nanosekunde ubrizgane u OPCPA pumpani laser (1,1 i 1,2 na slici 1). Prednji kraj također osigurava sinhronizaciju ovih impulsa kao i potrebne energetske i prostorno-vremenske parametre. Srednji OPCPA koji radi pri većoj stopi ponavljanja (1 Hz) pojačava čirpirani impuls na desetine džula (2 na slici 1). Puls se dalje pojačava pomoću Booster OPCPA u jedan kilodžul snop i dijeli na 12 identičnih pod-zraka (4 na slici 1). U konačnih 12 OPCPA, svaki od 12 chirped svjetlosnih impulsa je pojačan do nivoa kilodžula (5 na slici 1), a zatim komprimiran sa 12 kompresijskih rešetki (GC od 6 na slici 1). Akusto-optički programabilni disperzijski filter se koristi na prednjem kraju za preciznu kontrolu grupne disperzije brzine i disperzije visokog reda, kako bi se dobila najmanja moguća širina impulsa. Spektar impulsa ima oblik skoro 12. reda supergausa, a širina spektra na 1% maksimalne vrijednosti je 150 nm, što odgovara graničnoj širini impulsa Fourierove transformacije od 17 fs. S obzirom na nepotpunu kompenzaciju disperzije i poteškoće nelinearne fazne kompenzacije u parametarskim pojačavačima, očekivana širina impulsa je 20 fs.
XCELS laser će koristiti dva 8-kanalna UFL-2M modula za udvostručavanje frekvencije laserskog lasera od neodimijumskog stakla (3 na slici 1), od kojih će 13 kanala biti korišteno za pumpanje Booster OPCPA i 12 konačnih OPCPA. Preostala tri kanala će se koristiti kao nezavisni nanosekundni kilodžul impulsalaserski izvoriza druge eksperimente. Ograničen pragom optičkog sloma DKDP kristala, intenzitet zračenja pumpanog impulsa je postavljen na 1,5 GW/cm2 za svaki kanal i trajanje je 3,5 ns.
Svaki kanal XCELS lasera proizvodi impulse snage 50 PW. Ukupno 12 kanala daje ukupnu izlaznu snagu od 600 PW. U glavnoj ciljnoj komori, maksimalni intenzitet fokusiranja svakog kanala u idealnim uslovima je 0,44×1025 W/cm2, pod pretpostavkom da se za fokusiranje koriste F/1 fokusni elementi. Ako se puls svakog kanala dodatno komprimuje na 2,6 fs tehnikom post-kompresije, odgovarajuća izlazna impulsna snaga će se povećati na 230 PW, što odgovara intenzitetu svjetlosti od 2,0×1025 W/cm2.
Da bi se postigao veći intenzitet svjetlosti, pri izlaznoj snazi od 600 PW, svjetlosni impulsi u 12 kanala će biti fokusirani u geometriji inverznog dipolnog zračenja, kao što je prikazano na slici 2. Kada faza impulsa u svakom kanalu nije zaključana, intenzitet fokusa može dostižu 9×1025 W/cm2. Ako je svaka faza impulsa zaključana i sinhronizovana, koherentni rezultujući intenzitet svetlosti će se povećati na 3,2×1026 W/cm2. Pored glavne ciljne sobe, XCELS projekat uključuje do 10 korisničkih laboratorija, od kojih svaka prima jednu ili više zraka za eksperimente. Koristeći ovo izuzetno jako svjetlosno polje, XCELS projekat planira izvođenje eksperimenata u četiri kategorije: procesi kvantne elektrodinamike u intenzivnim laserskim poljima; Proizvodnja i ubrzanje čestica; Generiranje sekundarnog elektromagnetnog zračenja; Laboratorijska astrofizika, procesi visoke gustoće energije i dijagnostička istraživanja.
Fig. 2 Geometrija fokusa u glavnoj ciljnoj komori. Radi jasnoće, parabolično ogledalo snopa 6 postavljeno je na transparentno, a ulazni i izlazni snopovi pokazuju samo dva kanala 1 i 7
Na slici 3 prikazan je prostorni raspored svakog funkcionalnog područja XCELS laserskog sistema u eksperimentalnoj zgradi. U suterenu se nalaze struja, vakum pumpe, tretman vode, prečišćavanje i klimatizacija. Ukupna građevinska površina iznosi više od 24.000 m2. Ukupna potrošnja energije je oko 7,5 MW. Eksperimentalna zgrada se sastoji od unutrašnjeg šupljeg okvira i vanjskog dijela, od kojih je svaki izgrađen na dva odvojena temelja. Vakuumski i drugi sistemi za induciranje vibracija ugrađuju se na temelje izolovane od vibracija, tako da se amplituda smetnje koja se prenosi na laserski sistem kroz temelj i oslonac smanjuje na manje od 10-10 g2/Hz u frekvencijskom opsegu od 1-200 Hz. Pored toga, u laserskoj hali je postavljena mreža geodetskih referentnih markera kako bi se sistematski pratilo zanošenje tla i opreme.
Projekat XCELS ima za cilj stvaranje velikog naučno-istraživačkog objekta zasnovanog na laserima izuzetno velike vršne snage. Jedan kanal XCELS laserskog sistema može da obezbedi fokusirani intenzitet svetlosti nekoliko puta veći od 1024 W/cm2, koji se dodatno može premašiti za 1025 W/cm2 sa postkompresionom tehnologijom. Pulsima dipolnog fokusiranja iz 12 kanala u laserskom sistemu, intenzitet blizu 1026 W/cm2 može se postići čak i bez naknadne kompresije i faznog zaključavanja. Ako je sinhronizacija faza između kanala zaključana, intenzitet svjetlosti će biti nekoliko puta veći. Koristeći ove rekordne intenzitete impulsa i višekanalni raspored zraka, budući XCELS objekat će moći da izvodi eksperimente sa izuzetno visokim intenzitetom, složenim distribucijama svetlosnog polja i dijagnostikuje interakcije korišćenjem višekanalnih laserskih zraka i sekundarnog zračenja. Ovo će igrati jedinstvenu ulogu u polju eksperimentalne fizike super-jakog elektromagnetnog polja.
Vrijeme objave: Mar-26-2024