Nyligen introducerade Institutet för tillämpad fysik vid Ryska vetenskapsakademin eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), ett forskningsprogram för stora vetenskapliga apparater baserade på extremt ljus.högeffektslasrarProjektet omfattar byggandet av en myckethögeffektslaserbaserad på optisk parametrisk kvittrande pulsförstärkningsteknik i kaliumdideuteriumfosfatkristaller (DKDP, kemisk formel KD2PO4) med stor apertur, 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 maximal effektlaserpulsutgång på 200 PW, vilken för närvarande är uppgraderad till 600 PW. Desslasersystemförlitar sig på tre nyckelteknologier:
(1) Optisk parametrisk kvittrad pulsförstärkning (OPCPA) används istället för traditionell kvittrad pulsförstärkning (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA)-teknik;
(2) Med DKDP som förstärkningsmedium uppnås ultrabredbandig fasmatchning nära 910 nm våglängd;
(3) En neodymglaslaser med stor apertur och en pulsenergi på tusentals joule används för att pumpa en parametrisk förstärkare.
Ultrabredbandig fasmatchning förekommer ofta i många kristaller och används i OPCPA femtosekundlasrar. DKDP-kristaller används eftersom de är det enda material som finns i praktiken som kan odlas till tiotals centimeters apertur och samtidigt ha acceptabla optiska egenskaper för att stödja förstärkning av multi-PW-effekt.lasrarDet har visat sig att när DKDP-kristallen pumpas av dubbelfrekvensljuset från ND-glaslasern, om bärvåglängden för den förstärkta pulsen är 910 nm, är de första tre termerna i Taylor-expansionen av vågvektormissmatchningen 0.
Figur 1 är en schematisk översikt över 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-pumplasern (1,1 och 1,2 i figur 1). Frontänden säkerställer också synkroniseringen av dessa pulser såväl som den erforderliga energin och de spatiotemporala parametrarna. En mellanliggande OPCPA som arbetar med en högre repetitionsfrekvens (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:erna förstärks var och en av de 12 kvittrade ljuspulserna till kilojoulenivån (5 i figur 1) och komprimeras sedan av 12 kompressionsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akustooptiska programmerbara dispersionsfiltret används i frontänden för att exakt kontrollera grupphastighetsdispersionen och dispersionen av högre ordning, för att erhålla minsta möjliga pulsbredd. Pulsspektrumet har en form av nästan 12:e ordningens supergauss, och den spektrala bandbredden vid 1 % av det maximala värdet är 150 nm, vilket motsvarar Fouriertransformens gränspulsbredd på 17 fs. Med tanke på den ofullständiga dispersionskompensationen och svårigheten med ickelinjär faskompensation i parametriska förstärkare är den förväntade pulsbredden 20 fs.
XCELS-lasern kommer att använda två 8-kanaliga UFL-2M neodymglaslaserfrekvensfördubblingsmoduler (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 nanosekunder kilojoule pulsade.laserkällorför andra experiment. Begränsad av DKDP-kristallernas optiska genombrottströskel 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 ideala 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 uteffekt för pulsen att ökas till 230 PW, vilket motsvarar en ljusintensitet 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. Förutom 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.
FIG. 2 Fokuseringsgeometri i huvudmålkammaren. För tydlighetens skull är den paraboliska spegeln i stråle 6 inställd på transparent, och ingångs- och utgångsstrålarna visar endast två kanaler 1 och 7.
Figur 3 visar den rumsliga utformningen av varje funktionsområde i XCELS-lasersystemet i experimentbyggnaden. El, vakuumpumpar, vattenrening, rening och luftkonditionering finns i källaren. Den totala byggnadsytan är mer än 24 000 m2. Den totala effektförbrukningen är cirka 7,5 MW. Experimentbyggnaden består av en intern ihålig övergripande ram och en extern sektion, var och en byggd på två frikopplade fundament. Vakuum- och andra vibrationsinducerande system är installerade på det vibrationsisolerade fundamentet, så att amplituden på störningen som överförs till lasersystemet genom fundamentet och stödet reduceras till mindre än 10–10 g2/Hz i frekvensområdet 1–200 Hz. Dessutom är ett nätverk av geodetiska referensmarkörer upprättat i laserhallen för att systematiskt övervaka markens och utrustningens avdrift.
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 överträffas ytterligare med 1025 W/cm2 med efterkompressionsteknik. Genom dipolfokusering av pulser från 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet nära 1026 W/cm2 uppnås även utan efterkompression och faslåsning. Om fassynkroniseringen mellan kanalerna är låst kommer ljusintensiteten att vara flera gånger högre. Med hjälp av dessa rekordbrytande pulsintensiteter och den flerkanaliga strållayouten kommer den framtida XCELS-anläggningen att kunna utföra experiment med extremt hög intensitet, komplexa ljusfältsfördelningar och diagnostisera interaktioner med hjälp av flerkanaliga laserstrålar och sekundärstrålning. Detta kommer att spela en unik roll inom experimentell fysik för superstarka elektromagnetiska fält.
Publiceringstid: 26 mars 2024