Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Rusa de Ciencias introduciu o Extreme Light Study Center for Extreme Light (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos baseados en extremadamenteLáseres de alta potencia. O proxecto inclúe a construción dun moiLáser de alta potenciaBaseado na tecnoloxía de amplificación de pulso paramétrico óptico chirped en cristais de fosfato de dideería de potasio de gran abertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), cunha produción total esperada de 600 pulsos de potencia de pico PW. Este traballo proporciona detalles importantes e resultados de investigación sobre o proxecto XCELS e os seus sistemas láser, describindo aplicacións e impactos potenciais relacionados con interaccións de campo lixeiro ultra-fortes.
O programa XCELS propúxose en 2011 co obxectivo inicial de lograr un poder máximoláserSaída de pulso de 200 PW, que actualmente está actualizada a 600 PW. Ésistema láserConfía en tres tecnoloxías clave:
(1) A tecnoloxía de amplificación de pulso chirped paramétrico óptico (OPCPA) úsase en lugar da amplificación tradicional de pulso chirped (amplificación de pulso chirped, OPCPA). CPA) tecnoloxía;
(2) usando DKDP como medio de ganancia, a correspondencia de fase de banda ancha ultra realízase preto de 910 nm de lonxitude de onda;
(3) Un láser de vidro de neodimio de gran apertura cunha enerxía de pulso de miles de joules úsase para bombear un amplificador paramétrico.
A correspondencia de fase de banda ultra-ancha atópase amplamente en moitos cristais e úsase nos láseres femtosegundos OPCPA. Utilízanse cristais DKDP porque son o único material atopado na práctica que se pode cultivar ata decenas de centímetros de apertura e ao mesmo tempo teñen calidades ópticas aceptables para apoiar a amplificación da potencia multi-PWláseres. Comprobouse que cando o cristal DKDP é bombeado pola luz de dobre frecuencia do láser de vidro ND, se a lonxitude de onda portadora do pulso amplificado é de 910 nm, os tres primeiros termos da expansión do Taylor do desaxuste do vector de onda son 0.
A figura 1 é un esquema esquemático do sistema láser XCELS. O extremo frontal xerou pulsos de femtosegundo chirped cunha lonxitude de onda central de 910 nm (1,3 na figura 1) e 1054 nanos de nanosegundos inxectados no láser bombeado OPCPA (1,1 e 1,2 na figura 1). O front end tamén asegura a sincronización destes pulsos así como a enerxía necesaria e os parámetros espatiotemporais. Un OPCPA intermedio que opera a unha maior taxa de repetición (1 Hz) amplifica o pulso chirped a decenas de joules (2 na figura 1). O pulso amplifícase aínda máis polo OPCPA reforzador nun feixe dun quilojoule único e divídese en 12 sub-feixes idénticos (4 na figura 1). Nos 12 últimos OPCPA, cada un dos 12 pulsos de luz chirped amplifícase ata o nivel de quilojoule (5 na figura 1) e logo comprimido por 12 reixas de compresión (GC de 6 na figura 1). O filtro de dispersión programable acousto-óptico úsase no extremo frontal para controlar con precisión a dispersión da velocidade do grupo e a dispersión de alta orde, para obter o menor ancho de pulso posible. O espectro de pulso ten unha forma de supergauss de case 12 de orde, e o ancho de banda espectral ao 1% do valor máximo é de 150 nm, correspondente ao ancho de pulso límite de transformación de Fourier de 17 fs. Considerando a compensación de dispersión incompleta e a dificultade da compensación de fase non lineais nos amplificadores paramétricos, o ancho do pulso esperado é de 20 FS.
O láser XCELS empregará dous módulos de dobre de frecuencia de láser de vidro UFL-2M de 8 canles (3 na figura 1), dos cales se empregarán 13 canles para bombear o OPCPA reforzador e 12 OPCPA final. As tres canles restantes serán utilizadas como nanosegundo independentes Kilojoule pulsadasFontes láserPara outros experimentos. Limitado polo umbral de desglose óptico dos cristais DKDP, a intensidade de irradiación do pulso bombeado está fixada en 1,5 GW/CM2 para cada canle e a duración é de 3,5 ns.
Cada canle do láser Xcels produce pulsos cunha potencia de 50 pw. Un total de 12 canles proporcionan unha potencia de saída total de 600 PW. Na cámara de destino principal, a intensidade máxima de enfoque de cada canle en condicións ideais é de 0,44 × 1025 W/cm2, asumindo que se usan elementos de enfoque f/1 para centrarse. Se o pulso de cada canle está comprimido aínda máis a 2,6 FS mediante técnica post-compresión, a potencia de pulso de saída correspondente aumentarase a 230 PW, correspondente á intensidade da luz de 2,0 × 1025 W/cm2.
Para conseguir unha maior intensidade da luz, a 600 PW de saída, os pulsos de luz nas 12 canles estarán centrados na xeometría da radiación de dipolos inversos, como se mostra na figura 2. Cando a fase de pulso en cada canle non estea bloqueada, a intensidade de foco pode chegar a 9 × 1025 W/cm2. Se cada fase de pulso está bloqueada e sincronizada, a intensidade de luz coherente resultante aumentarase a 3,2 × 1026 W/cm2. Ademais da sala de destino principal, o proxecto XCELS inclúe ata 10 laboratorios de usuarios, cada un recibindo un ou máis feixes para experimentos. Usando este campo de luz extremadamente forte, o proxecto XCELS planea realizar experimentos en catro categorías: procesos de electrodinámica cuántica en campos láser intensos; A produción e aceleración de partículas; A xeración de radiación electromagnética secundaria; Astrofísica de laboratorio, procesos de alta densidade de enerxía e investigación diagnóstica.
Fig. 2 Xeometría centrada na cámara principal de destino. Para maior claridade, o espello parabólico do feixe 6 está configurado en transparente, e as vigas de entrada e saída mostran só dúas canles 1 e 7
A figura 3 mostra a disposición espacial de cada área funcional do sistema láser XCELS no edificio experimental. No soto atópanse electricidade, bombas de baleiro, tratamento de auga, purificación e aire acondicionado. A superficie total de construción é superior a 24.000 m2. O consumo total de enerxía é de aproximadamente 7,5 MW. O edificio experimental consta dun cadro global oco interno e unha sección externa, cada unha construída en dous cimentos desacoplados. O baleiro e outros sistemas que inducen vibracións están instalados na base illada de vibracións, de xeito que a amplitude da perturbación transmitida ao sistema láser a través da cimentación e o soporte redúcese a menos de 10-10 g2/Hz no rango de frecuencias de 1-200 Hz. Ademais, establécese unha rede de marcadores de referencia xeodésica na sala de láser para controlar sistematicamente a deriva do chan e dos equipos.
O proxecto XCELS pretende crear unha gran instalación de investigación científica baseada en láseres de potencia máxima extremadamente altos. Unha canle do sistema láser XCELS pode fornecer unha intensidade de luz centrada varias veces superior a 1024 W/cm2, que se pode superar aínda máis por 1025 W/cm2 con tecnoloxía post-compresión. Por pulsos centrados en dipolos de 12 canles no sistema láser, pódese conseguir unha intensidade próxima a 1026 W/cm2 incluso sen post-compresión e bloqueo de fase. Se a sincronización de fase entre canles está bloqueada, a intensidade da luz será varias veces maior. Usando estas intensidades de pulso de récords e a disposición do feixe de varias canles, a futura instalación XCELS poderá realizar experimentos con intensidade extremadamente alta, distribucións de campo de luz complexas e diagnosticar interaccións mediante vigas láser multicanal e radiación secundaria. Isto desempeñará un papel único no campo da física experimental de campo electromagnético moi forte.
Tempo post: MAR-26-2024