Nedavno je Institut za primijenjenu fiziku Ruske akademije nauka predstavio eXawatt Centar za proučavanje ekstremne svjetlosti (XCELS), istraživački program za velike naučne uređaje zasnovane na ekstremno...laseri velike snageProjekat uključuje izgradnju vrlolaser velike snagezasnovano na tehnologiji optičkog parametarskog pojačanja cvrkutavih impulsa u kristalima kalijum dideuterijum fosfata (DKDP, hemijska formula KD2PO4) velikog otvora, sa očekivanim ukupnim izlazom od 600 PW impulsa vršne snage. Ovaj rad pruža važne detalje i istraživačke nalaze o projektu XCELS i njegovim laserskim sistemima, opisujući primjene i potencijalne uticaje povezane sa interakcijama ultra-jakih svjetlosnih polja.
Program XCELS je predložen 2011. godine s početnim ciljem postizanja vršne snagelaserimpulsni izlaz od 200 PW, koji je trenutno nadograđen na 600 PW.laserski sistemoslanja se na tri ključne tehnologije:
(1) Umjesto tradicionalne CPA tehnologije (optičko parametarsko pojačanje cvrkutavog impulsa, OPCPA) koristi se tehnologija optičkog parametarskog pojačanja cvrkutavog impulsa;
(2) Korištenjem DKDP-a kao medija za pojačanje, ostvaruje se ultraširokopojasno fazno usklađivanje blizu valne duljine od 910 nm;
(3) Za pumpanje parametarskog pojačala koristi se neodimijski stakleni laser velikog otvora s energijom impulsa od hiljada džula.
Ultraširokopojasno 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 i koji se može uzgajati do desetina centimetara otvora, a istovremeno imati prihvatljive optičke kvalitete za podršku pojačanja višestruke PW snage.laseriUtvrđeno je da kada se DKDP kristal pumpa svjetlošću dvostruke frekvencije ND staklenog lasera, ako je valna dužina nosača pojačanog impulsa 910 nm, prva tri člana Taylorove ekspanzije neusklađenosti valnog vektora su 0.
Slika 1 je shematski prikaz XCELS laserskog sistema. Prednji kraj generirao je cvrkutave femtosekundne impulse s centralnom talasnom dužinom od 910 nm (1,3 na Slici 1) i nanosekundne impulse od 1054 nm ubrizgane u OPCPA pumpani laser (1,1 i 1,2 na Slici 1). Prednji kraj također osigurava sinhronizaciju ovih impulsa, kao i potrebnu energiju i prostorno-vremenske parametre. Srednji OPCPA koji radi na većoj brzini ponavljanja (1 Hz) pojačava cvrkutavi impuls na desetine džula (2 na Slici 1). Impuls se dalje pojačava pomoću Booster OPCPA u jedan kilodžulani snop i dijeli na 12 identičnih podsnopova (4 na Slici 1). U konačnih 12 OPCPA, svaki od 12 cvrkutavih svjetlosnih impulsa se pojačava do nivoa kilodžula (5 na Slici 1), a zatim komprimira pomoću 12 kompresijskih rešetki (GC od 6 na Slici 1). Akustooptički programabilni disperzioni filter se koristi na prednjem kraju za preciznu kontrolu disperzije grupne brzine i disperzije višeg reda, kako bi se dobila najmanja moguća širina impulsa. Spektar impulsa ima oblik skoro 12. reda supergaussa, a spektralna širina pojasa na 1% maksimalne vrijednosti je 150 nm, što odgovara graničnoj širini impulsa Fourierove transformacije od 17 fs. Uzimajući u obzir nepotpunu kompenzaciju disperzije i poteškoće nelinearne fazne kompenzacije u parametarskim pojačalima, očekivana širina impulsa je 20 fs.
XCELS laser će koristiti dva 8-kanalna UFL-2M neodimijumska staklena laserska modula za udvostručenje frekvencije (3 na Slici 1), od kojih će se 13 kanala koristiti za pumpanje Booster OPCPA i 12 finalnog OPCPA. Preostala tri kanala će se koristiti kao nezavisni nanosekundni kilodžuli impulsi.laserski izvoriza ostale eksperimente. Ograničen pragom optičkog proboja DKDP kristala, intenzitet ozračivanja pumpanog impulsa postavljen je na 1,5 GW/cm2 za svaki kanal, a trajanje je 3,5 ns.
Svaki kanal XCELS lasera proizvodi impulse snage 50 PW. Ukupno 12 kanala obezbjeđuje ukupnu izlaznu snagu od 600 PW. U glavnoj ciljnoj komori, maksimalni intenzitet fokusiranja svakog kanala pod idealnim uslovima je 0,44×10²⁶ W/cm², pod pretpostavkom da se za fokusiranje koriste elementi za fokusiranje F/1. Ako se impuls svakog kanala dodatno komprimuje na 2,6 fs tehnikom postkompresije, odgovarajuća izlazna snaga impulsa će se povećati na 230 PW, što odgovara intenzitetu svjetlosti od 2,0×10²⁶ W/cm².
Da bi se postigao veći intenzitet svjetlosti, pri izlaznoj snazi od 600 PW, svjetlosni impulsi u 12 kanala bit će fokusirani u geometriji inverznog dipolnog zračenja, kao što je prikazano na Slici 2. Kada faza impulsa u svakom kanalu nije zaključana, intenzitet fokusa može doseći 9×10²⁶ W/cm². Ako je svaka faza impulsa zaključana i sinhronizirana, koherentni rezultujući intenzitet svjetlosti bit će povećan na 3,2×10²⁶ W/cm². Pored glavne prostorije za ciljanje, XCELS projekat uključuje do 10 korisničkih laboratorija, od kojih svaka prima jedan ili više snopova za eksperimente. Koristeći ovo izuzetno jako svjetlosno polje, XCELS projekat planira provoditi eksperimente 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.
SLIKA 2 Geometrija fokusiranja u glavnoj komori cilja. Radi jasnoće, parabolično ogledalo snopa 6 je postavljeno na prozirno, a ulazni i izlazni snopovi prikazuju samo dva kanala 1 i 7.
Slika 3 prikazuje prostorni raspored svakog funkcionalnog područja XCELS laserskog sistema u eksperimentalnoj zgradi. Električna energija, vakuumske pumpe, tretman vode, prečišćavanje i klimatizacija nalaze se u podrumu. Ukupna površina izgradnje je veća od 24.000 m2. Ukupna potrošnja energije je oko 7,5 MW. Eksperimentalna zgrada se sastoji od unutrašnjeg šupljeg okvira i vanjskog dijela, svaki izgrađen na dva odvojena temelja. Vakuumski i drugi sistemi za indukciju vibracija instalirani su na vibracijski izolovanom temelju, tako da je amplituda poremećaja koji se prenosi na laserski sistem kroz temelj i nosač smanjena na manje od 10-10 g2/Hz u frekventnom opsegu od 1-200 Hz. Pored toga, u laserskoj hali postavljena je mreža geodetskih referentnih markera za sistematsko praćenje pomjeranja tla i opreme.
Cilj projekta XCELS je stvaranje velikog naučno-istraživačkog centra zasnovanog na laserima izuzetno visoke vršne snage. Jedan kanal XCELS laserskog sistema može obezbijediti fokusirani intenzitet svjetlosti nekoliko puta veći od 1024 W/cm2, koji se može dodatno premašiti za 1025 W/cm2 tehnologijom postkompresije. Dipolnim fokusiranjem impulsa iz 12 kanala u laserskom sistemu, intenzitet blizak 1026 W/cm2 može se postići čak i bez postkompresije i faznog zaključavanja. Ako je fazna sinhronizacija između kanala zaključana, intenzitet svjetlosti će biti nekoliko puta veći. Koristeći ove rekordne intenzitete impulsa i višekanalni raspored snopa, budući XCELS centar će moći izvoditi eksperimente sa izuzetno visokim intenzitetom, složenim distribucijama svjetlosnog polja i dijagnosticirati interakcije korištenjem višekanalnih laserskih snopova i sekundarnog zračenja. Ovo će igrati jedinstvenu ulogu u oblasti eksperimentalne fizike superjakog elektromagnetnog polja.
Vrijeme objave: 26. mart 2024.