Nyligen introducerade Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), ett forskningsprogram för stora vetenskapliga apparater baserade på extremt extremtlasrar med hög effekt. Projektet inkluderar byggandet av en mycketlaser med hög effektBaserat på optisk parametrisk kvittad pulsförstärkningsteknik i stora öppning av kaliumdideuteriumfosfat (DKDP, kemisk formel KD2PO4) -kristaller, med en förväntad total produktion av 600 pw toppeffektpulser. Detta arbete ger viktiga detaljer och forskningsresultat om XCELS-projektet och dess lasersystem, som beskriver applikationer och potentiella effekter relaterade till ultrasnäppta ljusfältinteraktioner.
XCELS -programmet föreslogs 2011 med det ursprungliga målet att uppnå en toppeffektlaserPulsutgång på 200 PW, som för närvarande uppgraderas till 600 PW. Desslasersystemförlitar sig på tre nyckeltekniker:
(1) OPCPA -teknik för optisk parametrisk kvittad pulsförstärkning (OPCPA) används istället för traditionell kvitad pulsförstärkning (kvitad pulsförstärkning, OPCPA). CPA) teknik;
(2) med hjälp av DKDP som förstärkningsmedium realiseras ultra -bredbandsfasmatchning nära 910 nm våglängd;
(3) En stor bländare neodymglaslaser med en pulsenergi på tusentals joules används för att pumpa en parametrisk förstärkare.
Ultra-bredbandsfasmatchning finns allmänt i många kristaller och används i OPCPA femtosekundlasrar. DKDP-kristaller används eftersom de är det enda materialet som finns i praktiken som kan odlas till tiotals centimeter av bländare och samtidigt har acceptabla optiska egenskaper för att stödja förstärkningen av multi-PW-kraftlasers. Det har visat sig att när DKDP -kristallen pumpas av det dubbla frekvensljuset för ND -glaslaser, om bärvåglängden för den amplifierade pulsen är 910 nm, är de tre första termerna för Taylor -expansionen av vågvektorns missanpassning 0.
Figur 1 är en schematisk layout av XCELS -lasersystemet. Den främre änden genererade kvittrade femtosekundpulser med en central våglängd av 910 nm (1,3 i figur 1) och 1054 nm nanosekundpulser injicerade i OPCPA -pumpade laser (1,1 och 1,2 i figur 1). Den främre änden säkerställer också synkroniseringen av dessa pulser såväl som den erforderliga energi- och spatiotemporala parametrarna. En mellanliggande OPCPA som arbetar med en högre repetitionshastighet (1 Hz) förstärker den kvittrade pulsen till tiotals av joules (2 i figur 1). Pulsen förstärks ytterligare av booster OPCPA i en enkel kilojoule-stråle och delas upp i 12 identiska understrålar (4 i figur 1). I de 12 sista OPCPA amplifieras var och en av de 12 kvitade ljuspulserna till kilojoulenivån (5 i figur 1) och komprimeras sedan av 12 kompressionsgaller (GC av 6 i figur 1). Det akoustooptiska programmerbara dispersionsfiltret används i frontend för att exakt kontrollera grupphastighetsdispersion och högordningspridning för att erhålla den minsta möjliga pulsbredden. Pulspektrumet har en form av nästan 12: e ordning Supergauss, och den spektrala bandbredden vid 1% av det maximala värdet är 150 nm, vilket motsvarar Fourier transformgränspulsbredden på 17 fs. Med tanke på den ofullständiga spridningskompensationen och svårigheten med icke -linjär faskompensation i parametriska förstärkare är den förväntade pulsbredden 20 fs.
Xcels-lasern kommer att använda två 8-kanals UFL-2M-neodymglaslaserfrekvens fördubblingsmoduler (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 nanosekund kilojoule pulseradelaserkällorför andra experiment. Begränsad av den optiska nedbrytningsgränsen 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 Laser producerar pulser med en effekt av 50 pw. Totalt 12 kanaler ger en total utgångseffekt på 600 pw. I huvudmålskammaren är den maximala fokusintensiteten 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 postkomprimeringsteknik kommer motsvarande utgångspulseffekt att ökas till 230 pw, motsvarande ljusintensiteten på 2,0 × 1025 W/cm2.
För att uppnå större ljusintensitet, vid 600 PW -utgång, kommer de lätta pulserna i de 12 kanalerna att fokuseras i geometrien för omvänd 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 sammanhängande resulterande ljusintensiteten att ökas till 3,2 × 1026 W/CM2. Förutom huvudmålet inkluderar XCELS -projektet upp till 10 användarlaboratorier, var och en får en eller flera balkar för experiment. Med hjälp av detta extremt starka ljusfält planerar XCELS -projektet att genomföra experiment i fyra kategorier: kvantelektrodynamikprocesser i intensiva laserfält; Produktion och acceleration av partiklar; Generering av sekundär elektromagnetisk strålning; Laboratorieastrofysik, processer med hög energitäthet och diagnostisk forskning.
FIKON. 2 Fokusera geometri i huvudmålskammaren. För tydligheten är den paraboliska spegeln i strålen 6 inställd på transparent, och ingångs- och utgångsstrålarna visar endast två kanaler 1 och 7
Figur 3 visar den rumsliga layouten för varje funktionellt område i XCELS -lasersystemet i den experimentella byggnaden. El, vakuumpumpar, vattenbehandling, rening och luftkonditionering finns i källaren. Det totala byggområdet är mer än 24 000 m2. Den totala kraftförbrukningen är cirka 7,5 MW. Den experimentella byggnaden består av en inre ihålig total ram och en extern sektion, var och en byggd på två frikopplade stiftelser. De vakuum- och andra vibrationsinducerande systemen är installerade på den vibrationsisolerade grunden, så att amplituden hos störningen som överförs till lasersystemet genom grunden och stödet reduceras till mindre än 10-10 G2/Hz i frekvensområdet 1-200 Hz. Dessutom är ett nätverk av geodesiska referensmarkörer inrättade i laserhallen för att systematiskt övervaka driften av marken och utrustningen.
XCELS -projektet syftar till att skapa en stor vetenskaplig forskningsanläggning baserad på extremt höga toppeffektlasrar. En kanal i XCELS-lasersystemet kan ge en fokuserad ljusintensitet flera gånger högre än 1024 W/CM2, som ytterligare kan överskridas med 1025 W/CM2 med efterkomprimeringstekniken. Genom dipolfokuserande pulser från 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet nära 1026 W/CM2 uppnås även utan efterkomprimering och faslåsning. Om fassynkroniseringen mellan kanaler är låst kommer ljusintensiteten att vara flera gånger högre. Med hjälp av dessa rekordbrytande pulsintensiteter och flerkanalens strållayout kommer den framtida XCELS-anläggningen att kunna utföra experiment med extremt hög intensitet, komplexa ljusfältfördelningar och diagnostisera interaktioner med flera kanals laserstrålar och sekundär strålning. Detta kommer att spela en unik roll inom området superstarka elektromagnetiska fält experimentella fysik.
Posttid: Mar-26-2024