For nylig introducerede Instituttet for Anvendt Fysik ved det Russiske Videnskabsakademi eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store videnskabelige apparater baseret på ekstremthøjtydende lasereProjektet omfatter opførelsen af en megethøjtydende laserbaseret på optisk parametrisk chirped pulse amplification-teknologi i kaliumdideuteriumphosphat (DKDP, kemisk formel KD2PO4) krystaller med stor apertur, med en forventet samlet output på 600 PW peak power pulses. Dette arbejde giver vigtige detaljer og forskningsresultater om XCELS-projektet og dets lasersystemer, der beskriver anvendelser og potentielle påvirkninger relateret til ultrastærke lysfeltinteraktioner.
XCELS-programmet blev foreslået i 2011 med det oprindelige mål at opnå en maksimal effektlaserpulsudgang på 200 PW, som i øjeblikket er opgraderet til 600 PW. Denslasersystembygger på tre nøgleteknologier:
(1) Optisk parametrisk kvidrende pulsforstærkningsteknologi (OPCPA) anvendes i stedet for traditionel kvidrende pulsforstærkningsteknologi (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA);
(2) Ved at bruge DKDP som forstærkningsmedium opnås ultrabredbåndsfasetilpasning nær 910 nm bølgelængde;
(3) En neodymglaslaser med stor apertur og en pulsenergi på tusindvis af joule bruges til at pumpe en parametrisk forstærker.
Ultrabredbåndsfasetilpasning findes i vid udstrækning i mange krystaller og bruges i OPCPA femtosekundlasere. DKDP-krystaller bruges, fordi de er det eneste materiale, der findes i praksis, og som kan dyrkes til ti centimeters blændeåbning og samtidig har acceptable optiske kvaliteter til at understøtte forstærkningen af multi-PW-effekt.lasereDet er konstateret, at når DKDP-krystallen pumpes af dobbeltfrekvenslyset fra ND-glaslaseren, og bærebølgelængden af den forstærkede puls er 910 nm, er de første tre led i Taylor-ekspansionen af bølgevektormismatchen 0.
Figur 1 er en skematisk oversigt over XCELS-lasersystemet. Frontenden genererede kvidrende femtosekundpulser med en central bølgelængde på 910 nm (1,3 i figur 1) og 1054 nm nanosekundpulser injiceret i OPCPA-pumpelaseren (1,1 og 1,2 i figur 1). Frontenden sikrer også synkroniseringen af disse pulser samt den nødvendige energi og spatiotemporale parametre. En mellemliggende OPCPA, der opererer med en højere repetitionshastighed (1 Hz), forstærker den kvidrende puls til tiere joule (2 i figur 1). Pulsen forstærkes yderligere af Booster OPCPA'en til en enkelt kilojoule-stråle og opdeles i 12 identiske delstråler (4 i figur 1). I de sidste 12 OPCPA'er forstærkes hver af de 12 kvidrende lyspulser til kilojoule-niveauet (5 i figur 1) og komprimeres derefter af 12 kompressionsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare dispersionsfilter bruges i front-enden til præcist at styre gruppehastighedsdispersionen og højere ordens dispersion for at opnå den mindst mulige pulsbredde. Pulsspektret har en form på næsten 12. ordens supergauss, og den spektrale båndbredde ved 1% af den maksimale værdi er 150 nm, hvilket svarer til Fourier-transformationens grænsepulsbredde på 17 fs. I betragtning af den ufuldstændige dispersionskompensation og vanskeligheden ved ikke-lineær fasekompensation i parametriske forstærkere er den forventede pulsbredde 20 fs.
XCELS-laseren vil anvende to 8-kanals UFL-2M neodymglaslaserfrekvensfordoblingsmoduler (3 i figur 1), hvoraf 13 kanaler vil blive brugt til at pumpe Booster OPCPA og 12 endelige OPCPA. De resterende tre kanaler vil blive brugt som uafhængige nanosekund kilojoule pulserede.laserkildertil andre eksperimenter. Begrænset af den optiske gennembrudstærskel for DKDP-krystallerne er bestrålingsintensiteten af den pumpede puls indstillet til 1,5 GW/cm2 for hver kanal, og varigheden er 3,5 ns.
Hver kanal i XCELS-laseren producerer pulser med en effekt på 50 PW. I alt 12 kanaler giver en samlet udgangseffekt på 600 PW. I hovedmålkammeret er den maksimale fokuseringsintensitet for hver kanal under ideelle forhold 0,44×1025 W/cm2, forudsat at F/1-fokuseringselementer anvendes til fokusering. Hvis pulsen fra hver kanal komprimeres yderligere til 2,6 fs ved hjælp af efterkomprimeringsteknik, vil den tilsvarende udgangspulseffekt øges til 230 PW, hvilket svarer til en lysintensitet på 2,0×1025 W/cm2.
For at opnå større lysintensitet ved 600 PW output vil lyspulserne i de 12 kanaler blive fokuseret i geometrien af invers dipolstråling, som vist i figur 2. Når pulsfasen i hver kanal ikke er låst, kan fokusintensiteten nå 9×1025 W/cm2. Hvis hver pulsfase er låst og synkroniseret, vil den kohærente resulterende lysintensitet blive øget til 3,2×1026 W/cm2. Ud over hovedmålrummet omfatter XCELS-projektet op til 10 brugerlaboratorier, der hver modtager en eller flere stråler til eksperimenter. Ved hjælp af dette ekstremt stærke lysfelt planlægger XCELS-projektet at udføre eksperimenter i fire kategorier: kvanteelektrodynamiske processer i intense laserfelter; produktion og acceleration af partikler; generering af sekundær elektromagnetisk stråling; laboratorieastrofysik, processer med høj energitæthed og diagnostisk forskning.
FIG. 2 Fokuseringsgeometri i hovedmålkammeret. For klarhedens skyld er det parabolske spejl i stråle 6 indstillet til transparent, og input- og outputstrålerne viser kun to kanaler 1 og 7.
Figur 3 viser den rumlige layout af hvert funktionsområde i XCELS-lasersystemet i forsøgsbygningen. Elektricitet, vakuumpumper, vandbehandling, rensning og aircondition er placeret i kælderen. Det samlede byggeareal er mere end 24.000 m2. Det samlede strømforbrug er omkring 7,5 MW. Forsøgsbygningen består af en intern, hul overordnet ramme og en udvendig sektion, der hver er bygget på to afkoblede fundamenter. Vakuum- og andre vibrationsinducerende systemer er installeret på det vibrationsisolerede fundament, således at amplituden af den forstyrrelse, der transmitteres til lasersystemet gennem fundamentet og understøtningen, reduceres til mindre end 10-10 g2/Hz i frekvensområdet 1-200 Hz. Derudover er der opstillet et netværk af geodætiske referencemarkører i laserhallen for systematisk at overvåge jordens og udstyrets afdrift.
XCELS-projektet sigter mod at skabe et stort videnskabeligt forskningsanlæg baseret på lasere med ekstremt høj peak-effekt. Én kanal i XCELS-lasersystemet kan give en fokuseret lysintensitet, der er flere gange højere end 1024 W/cm2, hvilket yderligere kan overgås med 1025 W/cm2 med postkompressionsteknologi. Ved dipolfokusering af pulser fra 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet tæt på 1026 W/cm2 opnås, selv uden postkompression og faselåsning. Hvis fasesynkroniseringen mellem kanalerne er låst, vil lysintensiteten være flere gange højere. Ved at bruge disse rekordbrydende pulsintensiteter og flerkanalsstrålelayoutet vil det fremtidige XCELS-anlæg være i stand til at udføre eksperimenter med ekstremt høj intensitet, komplekse lysfeltfordelinger og diagnosticere interaktioner ved hjælp af flerkanals laserstråler og sekundær stråling. Dette vil spille en unik rolle inden for eksperimentel fysik med superstærke elektromagnetiske felter.
Opslagstidspunkt: 26. marts 2024