Recentment, l'Institut de Física Aplicada de l'Acadèmia Russa de les Ciències ha presentat el Centre eXawatt per a l'Estudi de la Llum Extrema (XCELS), un programa de recerca per a grans dispositius científics basats en llums extremadamentlàsers d'alta potènciaEl projecte inclou la construcció d'unlàser d'alta potènciabasat en tecnologia d'amplificació d'impulsos xirpats paramètrics òptics en cristalls de fosfat de dideuteri de potassi de gran obertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), amb una producció total prevista de 600 impulsos de potència màxima PW. Aquest treball proporciona detalls importants i resultats de recerca sobre el projecte XCELS i els seus sistemes làser, descrivint aplicacions i impactes potencials relacionats amb interaccions de camps de llum ultraforts.
El programa XCELS es va proposar el 2011 amb l'objectiu inicial d'aconseguir un màxim de potèncialàsersortida d'impulsos de 200 PW, que actualment s'ha actualitzat a 600 PW. La sevasistema làseres basa en tres tecnologies clau:
(1) La tecnologia d'amplificació d'impulsos xiulats paramètrics òptics (OPCPA) s'utilitza en lloc de la tecnologia tradicional d'amplificació d'impulsos xiulats (Amplificació d'impulsos xiulats, OPCPA). CPA).
(2) Utilitzant DKDP com a medi de guany, s'aconsegueix una adaptació de fase de banda ultra ampla prop de la longitud d'ona de 910 nm;
(3) Un làser de vidre de neodimi de gran obertura amb una energia de pols de milers de joules s'utilitza per bombar un amplificador paramètric.
L'adaptació de fase de banda ultra ampla es troba àmpliament en molts cristalls i s'utilitza en làsers de femtosegons OPCPA. Els cristalls DKDP s'utilitzen perquè són l'únic material que es troba a la pràctica que es pot fer créixer fins a desenes de centímetres d'obertura i, alhora, tenir qualitats òptiques acceptables per suportar l'amplificació de potència multi-PW.làsersEs constata que quan el cristall DKDP és bombat per la llum de doble freqüència del làser de vidre ND, si la longitud d'ona portadora del pols amplificat és de 910 nm, els tres primers termes de l'expansió de Taylor del desajust del vector d'ona són 0.
La Figura 1 és un esquema del sistema làser XCELS. La part frontal generava polsos de femtosegons xirpats amb una longitud d'ona central de 910 nm (1,3 a la Figura 1) i polsos de 1054 nm de nanosegons injectats al làser bombat per OPCPA (1,1 i 1,2 a la Figura 1). La part frontal també garanteix la sincronització d'aquests polsos, així com l'energia i els paràmetres espaciotemporals requerits. Un OPCPA intermedi que funciona a una velocitat de repetició més alta (1 Hz) amplifica el pols xirpat a desenes de joules (2 a la Figura 1). El pols s'amplifica encara més per l'OPCPA Booster en un sol feix de quilojoules i es divideix en 12 subfeixos idèntics (4 a la Figura 1). En els 12 OPCPA finals, cadascun dels 12 polsos de llum xirpats s'amplifica fins al nivell de quilojoules (5 a la Figura 1) i després es comprimeix mitjançant 12 xarxes de compressió (GC de 6 a la Figura 1). El filtre de dispersió programable acustoòptic s'utilitza a la part frontal per controlar amb precisió la dispersió de la velocitat de grup i la dispersió d'ordre alt, per tal d'obtenir l'amplada de pols més petita possible. L'espectre de pols té una forma de gairebé supergauss de 12è ordre, i l'amplada de banda espectral a l'1% del valor màxim és de 150 nm, corresponent a l'amplada de pols límit de la transformada 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 de pols esperada és de 20 fs.
El làser XCELS utilitzarà dos mòduls de duplicació de freqüència làser de vidre de neodimi UFL-2M de 8 canals (3 a la Figura 1), dels quals 13 canals s'utilitzaran per bombar l'OPCPA del Booster i 12 l'OPCPA final. Els tres canals restants s'utilitzaran com a polsos independents de nanosegons quilojoules.fonts làserper a altres experiments. Limitada pel llindar de ruptura òptica dels cristalls DKDP, la intensitat d'irradiació del pols bombat s'estableix a 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 principal de l'objectiu, la intensitat màxima d'enfocament de cada canal en condicions ideals és de 0,44 × 10²⁵ W/cm², suposant que s'utilitzen elements d'enfocament F/1 per a l'enfocament. Si el pols de cada canal es comprimeix encara més a 2,6 fs mitjançant la tècnica de postcompressió, la potència del pols de sortida corresponent augmentarà a 230 PW, corresponent a la intensitat de la llum de 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Per aconseguir una major intensitat lumínica, a una sortida de 600 PW, els polsos de llum dels 12 canals s'enfocaran en la geometria de la radiació dipolar inversa, tal com es mostra a la Figura 2. Quan la fase del pols a cada canal no està bloquejada, la intensitat del focus pot arribar a 9 × 10²⁵ W/cm². Si cada fase del pols està bloquejada i sincronitzada, la intensitat lumínica resultant coherent augmentarà 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 feixos per a experiments. Utilitzant aquest camp de llum extremadament fort, el projecte XCELS té previst dur a terme experiments en quatre categories: processos d'electrodinàmica quàntica en camps làser intensos; la producció i acceleració de partícules; la generació de radiació electromagnètica secundària; astrofísica de laboratori, processos d'alta densitat d'energia i recerca diagnòstica.
FIG. 2 Geometria d'enfocament a la cambra principal de l'objectiu. Per a més claredat, el mirall parabòlic del feix 6 està configurat com a transparent, i els feix d'entrada i sortida només mostren dos canals, l'1 i el 7.
La figura 3 mostra la distribució espacial de cada àrea funcional del sistema làser XCELS a l'edifici experimental. L'electricitat, les bombes de buit, el tractament d'aigua, la purificació i l'aire condicionat es troben al soterrani. La superfície total de construcció és de més de 24.000 m2. El consum total d'energia és d'uns 7,5 MW. L'edifici experimental consta d'una estructura interior buida i una secció externa, cadascuna construïda sobre dues fonamentacions desacoblades. El buit i altres sistemes d'inducció de vibracions estan instal·lats a la fonamentació aïllada de vibracions, de manera que l'amplitud de la pertorbació transmesa al sistema làser a través de la fonamentació i el suport es redueix a menys de 10-10 g2/Hz en el rang de freqüència d'1-200 Hz. A més, s'estableix una xarxa de marcadors de referència geodèsics a la sala làser per controlar sistemàticament la deriva del terreny i l'equip.
El projecte XCELS té com a objectiu crear un gran centre de recerca científica basat en làsers de potència màxima extremadament alta. Un canal del sistema làser XCELS pot proporcionar una intensitat de llum enfocada diverses vegades superior a 1024 W/cm2, que es pot superar encara més en 1025 W/cm2 amb la tecnologia de postcompressió. Mitjançant l'enfocament dipolar dels polsos de 12 canals del sistema làser, es pot aconseguir una intensitat propera a 1026 W/cm2 fins i tot sense postcompressió ni bloqueig de fase. Si la sincronització de fase entre els canals està bloquejada, la intensitat de la llum serà diverses vegades superior. Utilitzant aquestes intensitats de pols rècord i la disposició del feix multicanal, la futura instal·lació XCELS podrà realitzar experiments amb distribucions de camp de llum complexes i d'intensitat extremadament alta, i diagnosticar interaccions mitjançant feixos làser multicanal i radiació secundària. Això tindrà un paper únic en el camp de la física experimental de camps electromagnètics superforts.
Data de publicació: 26 de març de 2024