Nyligen introducerade Institute of Applied Physics vid den ryska vetenskapsakademin eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), ett forskningsprogram för stora vetenskapliga enheter baserat på extremthög effekt lasrar. I projektet ingår byggandet av en myckethög effekt laserbaserad på optisk parametrisk chirped puls amplification-teknologi i kaliumdideuteriumfosfatkristaller med stor öppning (DKDP, kemisk formel KD2PO4) med en förväntad total uteffekt på 600 PW toppeffektpulser. Detta arbete ger viktiga detaljer och forskningsresultat om XCELS-projektet och dess lasersystem, och beskriver tillämpningar och potentiella effekter relaterade till ultrastarka ljusfältsinteraktioner.
XCELS-programmet föreslogs 2011 med det ursprungliga målet att uppnå en toppeffektlaserpulseffekt på 200 PW, som för närvarande är uppgraderad till 600 PW. Desslasersystemförlitar sig på tre nyckelteknologier:
(1) Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-teknik används istället för traditionell Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) Med användning av DKDP som förstärkningsmedium realiseras ultrabredbandsfasanpassning nära 910 nm våglängd;
(3) En neodymglaslaser med stor öppning med en pulsenergi på tusentals joule används för att pumpa en parametrisk förstärkare.
Ultrabredbandsfasmatchning finns allmänt i många kristaller och används i OPCPA femtosekundlasrar. DKDP-kristaller används eftersom de är det enda material som finns i praktiken som kan växa till tiotals centimeters bländaröppning och samtidigt har acceptabla optiska egenskaper för att stödja förstärkningen av multi-PW-effektlasrar. Det har visat sig att när DKDP-kristallen pumpas av dubbelfrekvent ljus från ND-glaslasern, om bärvågsvåglängden för den förstärkta pulsen är 910 nm, är de tre första termerna för Taylor-expansionen av vågvektormissanpassningen 0.
Figur 1 är en schematisk layout av XCELS-lasersystemet. Frontänden genererade kvittrade femtosekundpulser med en central våglängd på 910 nm (1,3 i figur 1) och 1054 nm nanosekundpulser injicerade i OPCPA-pumpad laser (1,1 och 1,2 i figur 1). Frontänden säkerställer också synkroniseringen av dessa pulser samt de nödvändiga energi- och spatiotemporala parametrarna. En mellanliggande OPCPA som arbetar med en högre repetitionshastighet (1 Hz) förstärker den kvittrade pulsen till tiotals joule (2 i figur 1). Pulsen förstärks ytterligare av Booster OPCPA till en enda kilojoulestråle och delas upp i 12 identiska delstrålar (4 i figur 1). I de sista 12 OPCPA förstärks var och en av de 12 kvittrade ljuspulserna till kilojoulenivån (5 i figur 1) och komprimeras sedan av 12 kompressionsgitter (GC av 6 i figur 1). Det akusto-optiska programmerbara spridningsfiltret används i fronten för att exakt styra grupphastighetsspridning och dispersion av hög ordning, för att erhålla minsta möjliga pulsbredd. Pulsspektrumet har en form av nästan 12:e ordningens supergauss, och den spektrala bandbredden vid 1 % av maxvärdet är 150 nm, vilket motsvarar Fouriertransformens gräns för pulsbredd på 17 fs. Med tanke på den ofullständiga spridningskompensationen och svårigheten med olinjär faskompensation i parametriska förstärkare, är den förväntade pulsbredden 20 fs.
XCELS-lasern kommer att använda två 8-kanals UFL-2M neodymglaslaserfrekvensdubbleringsmoduler (3 i figur 1), varav 13 kanaler kommer att användas för att pumpa Booster OPCPA och 12 slutliga OPCPA. De återstående tre kanalerna kommer att användas som oberoende nanosekunds kilojoule pulsadelaserkällorför andra experiment. Begränsad av den optiska nedbrytningströskeln för DKDP-kristallerna, är bestrålningsintensiteten för den pumpade pulsen inställd på 1,5 GW/cm2 för varje kanal och varaktigheten är 3,5 ns.
Varje kanal i XCELS-lasern producerar pulser med en effekt på 50 PW. Totalt 12 kanaler ger en total uteffekt på 600 PW. I huvudmålkammaren är den maximala fokuseringsintensiteten för varje kanal under idealiska förhållanden 0,44×1025 W/cm2, förutsatt att F/1-fokuseringselement används för fokusering. Om pulsen för varje kanal komprimeras ytterligare till 2,6 fs med efterkomprimeringsteknik, kommer motsvarande utpulseffekt att ökas till 230 PW, motsvarande ljusintensiteten på 2,0×1025 W/cm2.
För att uppnå högre ljusintensitet, vid 600 PW uteffekt, kommer ljuspulserna i de 12 kanalerna att fokuseras i geometrin för invers dipolstrålning, som visas i figur 2. När pulsfasen i varje kanal inte är låst kan fokusintensiteten nå 9×1025 W/cm2. Om varje pulsfas är låst och synkroniserad, kommer den koherenta resulterande ljusintensiteten att ökas till 3,2×1026 W/cm2. Utöver huvudmålrummet inkluderar XCELS-projektet upp till 10 användarlaboratorier, som vart och ett tar emot en eller flera strålar för experiment. Med hjälp av detta extremt starka ljusfält planerar XCELS-projektet att utföra experiment i fyra kategorier: kvantelektrodynamiska processer i intensiva laserfält; Produktion och acceleration av partiklar; Generering av sekundär elektromagnetisk strålning; Laboratorieastrofysik, processer med hög energitäthet och diagnostisk forskning.
FIKON. 2 Fokuseringsgeometri i huvudmålkammaren. För tydlighetens skull är parabolspegeln på strålen 6 inställd på transparent, och ingångs- och utgående strålar visar endast två kanaler 1 och 7
Figur 3 visar den rumsliga layouten för varje funktionsområde i XCELS-lasersystemet i experimentbyggnaden. El, vakuumpumpar, vattenrening, rening och luftkonditionering finns i källaren. Den totala byggarean är mer än 24 000 m2. Den totala strömförbrukningen är cirka 7,5 MW. Försöksbyggnaden består av en invändig ihålig stomme och en yttre sektion, var och en byggd på två frikopplade fundament. Vakuumet och andra vibrationsinducerande system installeras på den vibrationsisolerade grunden, så att amplituden för störningen som överförs till lasersystemet genom fundamentet och stödet reduceras till mindre än 10-10 g2/Hz i frekvensområdet för 1-200 Hz. Dessutom sätts ett nätverk av geodetiska referensmarkörer upp i laserhallen för att systematiskt övervaka markdriften och utrustningen.
XCELS-projektet syftar till att skapa en stor vetenskaplig forskningsanläggning baserad på lasrar med extremt hög toppeffekt. En kanal i XCELS-lasersystemet kan ge en fokuserad ljusintensitet flera gånger högre än 1024 W/cm2, vilket kan överskridas ytterligare med 1025 W/cm2 med efterkompressionsteknik. Genom dipolfokuserande pulser från 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet nära 1026 W/cm2 uppnås även utan efterkompression och faslåsning. Om fassynkroniseringen mellan kanaler är låst blir ljusintensiteten flera gånger högre. Med hjälp av dessa rekordbrytande pulsintensiteter och flerkanalsstrållayouten kommer den framtida XCELS-anläggningen att kunna utföra experiment med extremt hög intensitet, komplexa ljusfältsfördelningar och diagnostisera interaktioner med flerkanalslaserstrålar och sekundär strålning. Detta kommer att spela en unik roll inom området för experimentell fysik för superstarka elektromagnetiska fält.
Posttid: 2024-mars