Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Rusa de Ciencias presentou o eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos baseado enláseres de alta potencia. O proxecto inclúe a construción dun moiláser de alta potenciabaseado na tecnoloxía de amplificación de pulsos chirped paramétricos ópticos en cristais de fosfato de dideuterio de potasio de gran apertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), cunha saída total esperada de 600 pulsos de potencia 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 coas interaccións de campos de luz ultra fortes.
O programa XCELS foi proposto en 2011 co obxectivo inicial de acadar unha potencia máximalásersaída de pulso de 200 PW, que actualmente se actualiza a 600 PW. O seusistema láserdepende de tres tecnoloxías fundamentais:
(1) Emprégase a tecnoloxía de amplificación de pulso de chirpeado paramétrico óptico (OPCPA) en lugar da tradicional amplificación de pulso de chirpeado (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). tecnoloxía CPA);
(2) Usando DKDP como medio de ganancia, a correspondencia de fase de banda ultra ancha realízase preto de 910 nm de lonxitude de onda;
(3) Para bombear un amplificador paramétrico úsase un láser de vidro de neodimio de gran apertura cunha enerxía de pulso de miles de joules.
A correspondencia de fase de banda ultra ancha atópase amplamente en moitos cristais e úsase nos láseres de femtosegundo OPCPA. Os cristais DKDP utilízanse porque son o único material que se atopa na práctica que se pode cultivar ata decenas de centímetros de apertura e, ao mesmo tempo, teñen calidades ópticas aceptables para soportar a amplificación de potencia multi-PW.láseres. Descúbrese 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 de Taylor do desajuste do vector de onda son 0.
A figura 1 é un esquema do sistema láser XCELS. O extremo frontal xerou pulsos de femtosegundo chirpados cunha lonxitude de onda central de 910 nm (1,3 na figura 1) e pulsos de nanosegundos de 1054 nm inxectados no láser bombeado OPCPA (1,1 e 1,2 na figura 1). O frontal tamén garante a sincronización destes pulsos, así como os parámetros enerxéticos e espazotemporais necesarios. Un OPCPA intermedio que funciona a unha taxa de repetición máis alta (1 Hz) amplifica o pulso chirrido a decenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é aínda máis amplificado polo Booster OPCPA nun único feixe de quiloxulios e dividido en 12 sub-feis idénticos (4 na Figura 1). Nos 12 OPCPA finais, cada un dos 12 pulsos de luz chirpada amplícase ata o nivel de quiloxulios (5 na Figura 1) e despois se comprime mediante 12 reixas de compresión (GC de 6 na Figura 1). O filtro de dispersión programable acústico-óptico utilízase na parte 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 pulsos ten unha forma de supergauss de case 12º orde, e o ancho de banda espectral ao 1% do valor máximo é de 150 nm, o que corresponde ao ancho de pulso límite da transformada de Fourier de 17 fs. Considerando a compensación de dispersión incompleta e a dificultade da compensación de fase non lineal nos amplificadores paramétricos, o ancho de pulso esperado é de 20 fs.
O láser XCELS empregará dous módulos de duplicación de frecuencia láser de vidro de neodimio UFL-2M de 8 canles (3 na Figura 1), dos cales 13 canles serán utilizados para bombear o Booster OPCPA e 12 finais OPCPA. As tres canles restantes utilizaranse como pulsos de kilojulios de nanosegundos independentesfontes láserpara outros experimentos. Limitada polo limiar de descomposición óptica dos cristais DKDP, a intensidade de irradiación do pulso bombeado establécese 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 obxectivo principal, a intensidade máxima de enfoque de cada canle en condicións ideais é de 0,44 × 1025 W/cm2, asumindo que se utilizan elementos de enfoque F/1 para o enfoque. Se o pulso de cada canle se comprime aínda máis a 2,6 fs mediante a técnica de poscompresión, a potencia do pulso de saída correspondente aumentarase a 230 PW, correspondente á intensidade luminosa de 2,0 × 1025 W/cm2.
Para conseguir unha maior intensidade de luz, a 600 PW de saída, os pulsos luminosos das 12 canles enfocaranse na xeometría da radiación dipolar inversa, como se mostra na Figura 2. Cando a fase do pulso en cada canle non está bloqueada, a intensidade do foco pode alcanzar 9×1025 W/cm2. Se cada fase de pulso está bloqueada e sincronizada, a intensidade luminosa resultante coherente aumentarase a 3,2 × 1026 W/cm2. Ademais da sala de destino principal, o proxecto XCELS inclúe ata 10 laboratorios de usuarios, cada un dos cales recibe un ou máis raios para experimentos. Usando este campo de luz extremadamente forte, o proxecto XCELS prevé 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 de enfoque na cámara de destino principal. Para máis claridade, o espello parabólico do feixe 6 está configurado como transparente e os raios 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. A electricidade, as bombas de baleiro, o tratamento da auga, a depuración e o aire acondicionado sitúanse no soto. A superficie total de construción é de máis de 24.000 m2. O consumo total de enerxía é duns 7,5 MW. O edificio experimental consta dun marco global oco interior e un tramo exterior, construídos cada un sobre dous cimentos desacoplados. Os sistemas de baleiro e outros inductores de vibracións están instalados na base illada pola vibración, de xeito que a amplitude da perturbación transmitida ao sistema láser a través da base e do soporte redúcese a menos de 10-10 g2/Hz no rango de frecuencias de 1-200 Hz. Ademais, establécese na sala de láser unha rede de marcadores xeodésicos de referencia para controlar de forma sistemática a deriva do terreo e dos equipamentos.
O proxecto XCELS ten como obxectivo crear unha gran instalación de investigación científica baseada en láseres de potencia máxima de extremadamente alta. Unha canle do sistema láser XCELS pode proporcionar unha intensidade de luz enfocada varias veces superior a 1024 W/cm2, que se pode superar aínda máis en 1025 W/cm2 coa tecnoloxía de poscompresión. Mediante os pulsos de enfoque dipolo de 12 canles do sistema láser, pódese conseguir unha intensidade próxima aos 1026 W/cm2 mesmo sen poscompresión 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 récord e a disposición do feixe multicanle, a futura instalación de XCELS poderá realizar experimentos cunha intensidade extremadamente alta, distribucións complexas de campos de luz e diagnosticar interaccións mediante raios láser multicanle e radiación secundaria. Isto terá un papel único no campo da física experimental de campos electromagnéticos súper fortes.
Hora de publicación: 26-mar-2024