Recentment, l’Institut de Física Aplicada de l’Acadèmia Russa de Ciències va introduir el Centre EXAWATT per a l’extrem Light Study (XCELS), un programa de recerca per a grans dispositius científics basats en extremadamentlàsers d’alta potència. El projecte inclou la construcció d'un moltlàser d’alta potènciaBasat en la tecnologia d’amplificació de pols paramètrica òptica en gran obertura de potassi fosfat de dideuteri (DKDP, fórmula química KD2PO4), amb una producció total esperada de polsos de potència màxima de 600 PW. Aquest treball proporciona detalls importants i troballes de recerca sobre el projecte XCELS i els seus sistemes làser, descrivint aplicacions i possibles impactes relacionats amb les interaccions de camp lleuger.
El programa XCELS es va proposar el 2011 amb l’objectiu inicial d’aconseguir una potència màximalàserSortida de pols de 200 PW, que actualment s’actualitza a 600 PW. ÉsSistema làseres basa en tres tecnologies clau:
(1) S'utilitza la tecnologia d'amplificació de pols paramètrica òptica (OPCPA) en lloc de l'amplificació tradicional de pols Chirped (amplificació de pols Chirped, OPCPA). CPA) tecnologia;
(2) Utilitzar DKDP com a medi de guany, la concordança de fase de banda ultra ampla es realitza a prop de 910 nm de longitud d'ona;
(3) S'utilitza un gran làser de vidre de neodimi d'obertura amb una energia de pols de milers de joules per bombar un amplificador paramètric.
La concordança de fase ultra-banda es troba àmpliament en molts cristalls i s’utilitza en làsers femtosegons OPCPA. Els cristalls DKDP s’utilitzen perquè són l’únic material que es troba a la pràctica que es pot cultivar fins a desenes de centímetres d’obertura i alhora tenen qualitats òptiques acceptables per suportar l’amplificació de la potència multi-PWlàsers. Es troba que quan el cristall DKDP és bombat per la llum de doble freqüència del làser de vidre ND, si la longitud d’ona del portador del pols amplificat és de 910 nm, els primers tres termes de l’expansió de Taylor del desajust del vector d’ona són 0.
La figura 1 és un disseny esquemàtic del sistema làser XCELS. L’extrem frontal va generar polsos femtosegons chirped amb una longitud d’ona central de 910 nm (1,3 a la figura 1) i 1054 nm polsos nanosegons injectats al làser bombat OPCPA (1,1 i 1,2 a la figura 1). L’extrem frontal també garanteix la sincronització d’aquests polsos, així com els paràmetres d’energia i espatiotemporal requerits. Un OPCPA intermedi que opera a una velocitat de repetició més alta (1 Hz) amplifica el pols chirped a desenes de joules (2 a la figura 1). El pols s’amplifica encara més per l’OPCPA de Booster en un sol feix de quilojoule i es divideix en 12 sub-feixos idèntics (4 a la figura 1). A l’OPCPA final, cadascun dels 12 polsos de llum chirped s’amplifica al nivell de quilojoule (5 a la figura 1) i després es comprimeix per 12 reixes de compressió (GC de 6 a la figura 1). El filtre de dispersió programable acousto-òptica s’utilitza a l’extrem frontal per controlar amb precisió la dispersió de la velocitat del grup i la dispersió d’alta ordre, de manera que s’obtingui la menor amplada de pols possible. L’espectre de pols té una forma de supergauss de gairebé dotze d’ordre i l’ample de banda espectral a l’1% del valor màxim és de 150 nm, corresponent a l’amplada de pols de límit de transformació de Fourier de 17 fs. Tenint en compte la compensació de dispersió incompleta i la dificultat de la compensació de fase no lineal en amplificadors paramètrics, l’amplada esperada del pols és de 20 fs.
El làser XCELS utilitzarà dos mòduls de doblatge de freqüència làser de vidre de Neodymium de 8 canals UFL-2M (3 a la figura 1), dels quals 13 canals s’utilitzaran per bombar els OPCPA de Booster i 12 OPCPA finals. Els tres canals restants s’utilitzaran com a nanosegons independents de quilojoule pulsatsFonts làserper a altres experiments. Limitada pel llindar de desglossament òptic dels cristalls DKDP, la intensitat d’irradiació del pols bombat s’estableix en 1,5 GW/cm2 per a cada canal i la durada és de 3,5 ns.
Cada canal del làser XCELS produeix polsos amb una potència de 50 PW. Un total de 12 canals proporcionen una potència de sortida total de 600 PW. A la cambra objectiu principal, la intensitat màxima d’enfocament de cada canal en condicions ideals és de 0,44 × 1025 W/cm2, suposant que s’utilitzin elements d’enfocament f/1 per centrar -se. Si el pols de cada canal es comprimeix encara més a 2,6 fs mitjançant tècnica post-compressió, la potència de pols de sortida corresponent s’incrementarà a 230 pW, corresponent a la intensitat de la llum de 2,0 × 1025 W/cm2.
Per aconseguir una intensitat de llum més gran, a la sortida de 600 PW, els polsos de llum dels 12 canals es centraran en la geometria de la radiació dipol inversa, tal com es mostra a la figura 2. Quan la fase de pols de cada canal no està bloquejada, la intensitat de focus pot arribar a 9 × 1025 W/cm2. Si cada fase de pols està bloquejada i sincronitzada, la intensitat de llum resultant coherent s’incrementarà fins a 3,2 × 1026 W/cm2. A més de la sala objectiu principal, el projecte XCELS inclou fins a 10 laboratoris d’usuaris, cadascun dels quals rep un o més bigues per a experiments. Utilitzant aquest camp de llum extremadament fort, el projecte XCELS preveu realitzar experiments en quatre categories: processos quàntics electrodinàmics en camps làser intensos; La producció i l’acceleració de les partícules; La generació de radiació electromagnètica secundària; Astrofísica de laboratori, processos d’alta densitat d’energia i investigació diagnòstica.
Fig. 2 Central de la geometria a la cambra objectiu principal. Per a la claredat, el mirall parabòlic del feix 6 està configurat en transparent i els feixos d’entrada i sortida només mostren dos canals 1 i 7
La figura 3 mostra la disposició espacial de cada àrea funcional del sistema làser XCELS a l’edifici experimental. L’electricitat, les bombes de buit, el tractament de l’aigua, la purificació i l’aire condicionat es troben al soterrani. La superfície de construcció total és de més de 24.000 m2. El consum d’energia total és d’uns 7,5 MW. L’edifici experimental consisteix en un marc global buit intern i una secció externa, cadascun construït en dos fonaments desacoblats. El buit i altres sistemes que indueixen les vibracions s’instal·len en el fonament aïllat de vibracions, de manera que l’amplitud de la pertorbació es transmet al sistema làser a través del fonament i el suport es redueix a menys de 10-10 g2/Hz en el rang de freqüència d’1-200 Hz. A més, es configura una xarxa de marcadors de referència geodèsics a la sala làser per controlar sistemàticament la deriva del terra i dels equips.
El projecte XCELS té com a objectiu crear una gran instal·lació de recerca científica basada en làsers de potència màxima extremadament alts. Un dels canals del sistema làser XCELS pot proporcionar una intensitat de llum focalitzada diverses vegades superior a 1024 W/cm2, que es pot superar encara més en 1025 W/cm2 amb tecnologia post-compressió. Mitjançant polsos centrat en dipol de 12 canals del sistema làser, es pot aconseguir una intensitat propera a 1026 W/cm2 fins i tot sense post-compressió i bloqueig de fase. Si la sincronització de fase entre els canals està bloquejada, la intensitat de la llum serà diverses vegades més alta. Utilitzant aquestes intensitats de pols trencadores i la disposició del feix multicanal, la futura instal·lació XCELS podrà realitzar experiments amb una intensitat extremadament alta, distribucions complexes de camp de llum i diagnosticar interaccions mitjançant feixos làser multicanal i radiació secundària. Això tindrà un paper únic en el camp de la física experimental de camp electromagnètic super-fort.
Posada Posada: 26-2024 de març