Recentment, l'Institut de Física Aplicada de l'Acadèmia Russa de Ciències va presentar l'eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), un programa de recerca per a grans dispositius científics basat enlàsers d'alta potència. El projecte inclou la construcció d'un moltlàser d'alta potènciabasat en la tecnologia d'amplificació de pols xirpat paramètrics òptics en cristalls de fosfat de dideuteri potàssic d'obertura gran (DKDP, fórmula química KD2PO4), amb una sortida 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 impactes potencials relacionats amb les interaccions de camps de llum ultra forts.
El programa XCELS es va proposar l'any 2011 amb l'objectiu inicial d'aconseguir una potència màximalàsersortida de pols de 200 PW, que actualment s'actualitza a 600 PW. El seusistema làseres basa en tres tecnologies clau:
(1) S'utilitza la tecnologia d'amplificació de pols xiulat paramètric òptic (OPCPA) en lloc de l'amplificació de pols xiulada tradicional (Amplificació de pols xiulat, OPCPA). tecnologia CPA);
(2) Utilitzant DKDP com a mitjà de guany, la concordança de fase de banda ultra ampla es realitza a prop de la longitud d'ona de 910 nm;
(3) S'utilitza un làser de vidre de neodimi de gran obertura amb una energia de pols de milers de joules per bombar un amplificador paramètric.
La concordança 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 al mateix temps tenen qualitats òptiques acceptables per suportar l'amplificació de potència multi-PWlàsers. Es troba que quan el cristall DKDP és bombejat 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 una disposició esquemàtica del sistema làser XCELS. L'extrem frontal va generar polsos de femtosegons xips amb una longitud d'ona central de 910 nm (1,3 a la figura 1) i polsos de nanosegons de 1054 nm injectats al làser bombejat OPCPA (1,1 i 1,2 a la figura 1). La part frontal també assegura la sincronització d'aquests polsos, així com els paràmetres energètics i espaciotemporals requerits. Un OPCPA intermedi que funciona a una velocitat de repetició més alta (1 Hz) amplifica el pols xip a desenes de joules (2 a la figura 1). El pols s'amplifica encara més pel Booster OPCPA en un sol feix de kilojoule i es divideix en 12 subbigues idèntiques (4 a la figura 1). Als 12 OPCPA finals, cadascun dels 12 polsos de llum xiulada s'amplifica fins al nivell de kilojoules (5 a la figura 1) i després es comprimeix amb 12 reixes de compressió (GC de 6 a la figura 1). El filtre de dispersió programable acústo-òptic s'utilitza a l'extrem frontal per controlar amb precisió la dispersió de la velocitat del grup i la dispersió d'ordre elevat, per tal d'obtenir l'amplada de pols més petita possible. L'espectre del pols té una forma de gairebé 12è ordre de supergauss i l'amplada de banda espectral a l'1% del valor màxim és de 150 nm, que correspon a l'amplada del 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 s'utilitzaran 13 canals per bombar el Booster OPCPA i 12 OPCPA finals. Els tres canals restants s'utilitzaran com a pols de kilojoule de nanosegons independentsfonts làserper a altres experiments. Limitada pel llindar de descomposició òptica 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'utilitzen elements d'enfocament F/1 per enfocar. Si el pols de cada canal es comprimeix encara més a 2,6 fs mitjançant la tècnica de postcompressió, la potència de pols de sortida corresponent s'augmentarà a 230 PW, corresponent a la intensitat de la llum de 2,0 × 1025 W/cm2.
Per aconseguir una major intensitat de llum, a una 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 del focus pot arribar a 9×1025 W/cm2. Si cada fase de pols està bloquejada i sincronitzada, la intensitat de la llum 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 rebent un o més feixos per a experiments. Utilitzant aquest camp de llum extremadament fort, el projecte XCELS preveu 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 investigació diagnòstica.
FIG. 2 Geometria d'enfocament a la cambra principal. Per a més claredat, el mirall parabòlic del feix 6 està configurat com a transparent, i els feixos d'entrada i sortida mostren només 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 d'aigües, la depuració 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'un marc global buit interior i una secció exterior, cadascun construït sobre dos fonaments desacoblats. El buit i altres sistemes que indueixen vibracions s'instal·len a la base aïllada per vibracions, de manera que l'amplitud de la pertorbació transmesa al sistema làser a través de la base i el suport es redueix a menys de 10-10 g2/Hz en el rang de freqüència de 1-200 Hz. A més, s'instal·la una xarxa de marcadors geodèsics de referència a la sala làser per controlar sistemàticament la deriva del terreny 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 alta. Un canal 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 la tecnologia de post-compressió. Mitjançant polsos de focus dipol de 12 canals del sistema làser, es pot aconseguir una intensitat propera als 1026 W/cm2 fins i tot sense postcompressió i bloqueig de fase. Si la sincronització de fase entre canals està bloquejada, la intensitat de la llum serà diverses vegades més gran. Utilitzant aquestes intensitats de pols rècord i la disposició del feix multicanal, la futura instal·lació XCELS podrà realitzar experiments amb distribucions de camps de llum complexes i d'intensitat extremadament alta i diagnosticar interaccions mitjançant raigs làser multicanal i radiació secundària. Això jugarà un paper únic en el camp de la física experimental de camps electromagnètics súper forts.
Hora de publicació: 26-mar-2024