Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Rusa de Ciencias presentou o Centro eXawatt para o Estudo da Luz Extrema (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos baseados en luces extremadamenteláseres de alta potenciaO proxecto inclúe a construción dun moiláser de alta potenciabaseado na tecnoloxía de amplificación de pulsos con chirridos paramétricos ópticos en cristais de fosfato de dideuterio potásico de gran apertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), cunha saída total prevista de 600 pulsos de potencia máxima PW. Este traballo proporciona detalles e resultados de investigación importantes sobre o proxecto XCELS e os seus sistemas láser, describindo as aplicacións e os posibles impactos relacionados coas interaccións de campos de luz ultrafortes.
O programa XCELS foi proposto en 2011 co obxectivo inicial de acadar un pico de potencialásersaída de pulsos de 200 PW, que actualmente se actualizou a 600 PW. A súasistema láserbaséase en tres tecnoloxías clave:
(1) A tecnoloxía de amplificación de pulsos con chirrido paramétrico óptico (OPCPA) utilízase en lugar da tecnoloxía tradicional de amplificación de pulsos con chirrido (amplificación de pulsos con chirrido, OPCPA). CPA;
(2) Usando DKDP como medio de ganancia, conséguese unha adaptación de fase de banda ultralarga preto de 910 nm de lonxitude de onda;
(3) Úsase un láser de vidro de neodimio de gran apertura cunha enerxía de pulso de miles de joules para bombear un amplificador paramétrico.
A adaptación de fase de banda ultraancha atópase amplamente en moitos cristais e utilízase en láseres de femtosegundos 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, ter calidades ópticas aceptables para soportar a amplificación da potencia multi-PW.láseresObsérvase 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 da desaxuste do vector de onda son 0.
A Figura 1 é un esquema do sistema láser XCELS. A parte frontal xerou pulsos de femtosegundos con chirridos cunha lonxitude de onda central de 910 nm (1,3 na Figura 1) e pulsos de 1054 nm de nanosegundos inxectados no láser bombeado por OPCPA (1,1 e 1,2 na Figura 1). A parte frontal tamén garante a sincronización destes pulsos, así como a enerxía requirida e os parámetros espaciotemporais. Un OPCPA intermedio que funciona a unha taxa de repetición máis alta (1 Hz) amplifica o pulso con chirridos a decenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é amplificado aínda máis polo OPCPA Booster nun único feixe de quilojoules e dividido en 12 subfeixes idénticos (4 na Figura 1). Nos 12 OPCPA finais, cada un dos 12 pulsos de luz con chirridos amplifícase ao nivel de quilojoules (5 na Figura 1) e logo comprímese mediante 12 redes de compresión (GC de 6 na Figura 1). O filtro de dispersión programable acustoóptico úsase na parte frontal para controlar con precisión a dispersión da velocidade de grupo e a dispersión de alta orde, co fin de obter a menor largura de pulso posible. O espectro de pulso ten unha forma de case supergauss de orde 12, e a largura de pulso espectral ao 1 % do valor máximo é de 150 nm, o que corresponde á largura de pulso límite da transformada de Fourier de 17 fs. Tendo en conta a compensación de dispersión incompleta e a dificultade da compensación de fase non lineal nos amplificadores paramétricos, a largura de pulso esperada 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 se usarán para bombear o OPCPA do Booster e 12 OPCPA final. As tres canles restantes usaranse como pulsacións independentes de kilojoules de nanosegundos.fontes láserpara outros experimentos. Limitado polo limiar de ruptura 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 principal do obxectivo, a intensidade máxima de enfoque de cada canle en condicións ideais é de 0,44 × 10²⁵ W/cm², supoñendo que se usan 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 aumentará a 230 PW, o que corresponde á intensidade da luz de 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Para conseguir unha maior intensidade luminosa, cunha saída de 600 PW, os pulsos de luz nos 12 canais 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 os 9 × 10²⁵ W/cm². Se cada fase do pulso está bloqueada e sincronizada, a intensidade luminosa resultante coherente aumentará a 3,2 × 10²⁶ W/cm². Ademais da sala obxectivo principal, o proxecto XCELS inclúe ata 10 laboratorios de usuarios, cada un dos cales recibe un ou máis feixes para experimentos. Usando este campo luminoso extremadamente forte, o proxecto XCELS planea levar a cabo 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 de diagnóstico.
FIG. 2 Xeometría de enfoque na cámara principal do obxectivo. Para maior claridade, o espello parabólico do feixe 6 está configurado como transparente e os feixes de entrada e saída mostran só dous canais, o 1 e o 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 de auga, a purificación e o aire acondicionado están situados no soto. A área total de construción é de máis de 24.000 m2. O consumo total de enerxía é duns 7,5 MW. O edificio experimental consta dunha estrutura xeral oca interna e unha sección externa, cada unha construída sobre dúas cimentacións desacopladas. Os sistemas de baleiro e outros sistemas de indución de vibracións están instalados na cimentación illada de vibracións, de xeito que a amplitude da perturbación transmitida ao sistema láser a través da cimentación e o soporte se reduce a menos de 10-10 g2/Hz no rango de frecuencia de 1-200 Hz. Ademais, establécese unha rede de marcadores de referencia xeodésicos na sala de láser para monitorizar sistematicamente a deriva do terreo e do equipo.
O proxecto XCELS ten como obxectivo crear unha gran instalación de investigación científica baseada en láseres de potencia máxima 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 o enfoque dipolar dos pulsos de 12 canles do sistema láser, pódese conseguir unha intensidade próxima aos 1026 W/cm2 mesmo sen poscompresión nin bloqueo de fase. Se se bloquea a sincronización de fase entre as canles, a intensidade da luz será varias veces maior. Usando estas intensidades de pulso récord e a disposición do feixe multicanle, a futura instalación XCELS poderá realizar experimentos con distribucións de campo de luz complexas e de intensidade extremadamente alta, e diagnosticar interaccións utilizando feixes láser multicanle e radiación secundaria. Isto desempeñará un papel único no campo da física experimental de campos electromagnéticos superfortes.
Data de publicación: 26 de marzo de 2024