For nylig introducerede Institute of Applied Physics ved det russiske videnskabsakademi eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store videnskabelige enheder baseret på ekstremthøj effekt lasere. Projektet omfatter opførelse af en megethøj effekt laserbaseret på optisk parametrisk chirped puls forstærkningsteknologi i kaliumdideuteriumphosphat (DKDP, kemisk formel KD2PO4) krystaller med stor blænde, med en forventet samlet udgang på 600 PW spidseffektpulser. Dette arbejde giver vigtige detaljer og forskningsresultater om XCELS-projektet og dets lasersystemer, der beskriver applikationer og potentielle påvirkninger relateret til ultrastærke lysfeltinteraktioner.
XCELS-programmet blev foreslået i 2011 med det oprindelige mål at opnå en spidseffektlaserpulsudgang på 200 PW, som i øjeblikket er opgraderet til 600 PW. Denslaser systemer afhængig af tre nøgleteknologier:
(1) Optisk parametrisk Chirped Pulse Amplification (OPCPA) teknologi bruges i stedet for traditionel Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) Ved at bruge DKDP som forstærkningsmediet realiseres ultrabredbåndsfasetilpasning nær 910 nm bølgelængde;
(3) En neodymglaslaser med stor blændeåbning med en pulsenergi på tusinder af joule bruges til at pumpe en parametrisk forstærker.
Ultra-bredbåndsfasetilpasning 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, der kan vokse til titusinder af centimeters blænde og samtidig har acceptable optiske kvaliteter til at understøtte forstærkningen af multi-PW-effektlasere. Det har vist sig, at når DKDP-krystallen pumpes af ND-glaslaserens dobbeltfrekvenslys, hvis bærebølgelængden af den forstærkede puls er 910 nm, er de første tre led af Taylor-udvidelsen af bølgevektormismatchen 0.
Figur 1 er et skematisk layout af XCELS-lasersystemet. Frontenden genererede kvidrede femtosekundimpulser med en central bølgelængde på 910 nm (1,3 i figur 1) og 1054 nm nanosekundimpulser indsprøjtet i OPCPA-pumpet laser (1,1 og 1,2 i figur 1). Frontenden sikrer også synkroniseringen af disse impulser samt de nødvendige energi- og spatiotemporale parametre. En mellemliggende OPCPA, der opererer ved en højere gentagelseshastighed (1 Hz) forstærker den chirpede puls til titusinder af joule (2 i figur 1). Impulsen forstærkes yderligere af Booster OPCPA til en enkelt kilojoule stråle og opdelt i 12 identiske understråler (4 i figur 1). I de sidste 12 OPCPA forstærkes hver af de 12 kvidrede lysimpulser til kilojoule-niveauet (5 i figur 1) og komprimeres derefter af 12 kompressionsgitre (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare spredningsfilter bruges i frontenden til præcist at kontrollere gruppehastighedsspredning og højordensspredning 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, svarende til Fourier-transformationens grænseimpulsbredde på 17 fs. I betragtning af den ufuldstændige spredningskompensation og vanskeligheden ved ikke-lineær fasekompensation i parametriske forstærkere, er den forventede pulsbredde 20 fs.
XCELS-laseren vil anvende to 8-kanals UFL-2M neodymglas laserfrekvensfordoblingsmoduler (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 uafhængig nanosekund kilojoule pulseretlaserkildertil andre eksperimenter. Begrænset af den optiske nedbrydningstærskel for DKDP-krystallerne, er bestrålingsintensiteten af den pumpede puls sat til 1,5 GW/cm2 for hver kanal, og varigheden er 3,5 ns.
Hver kanal i XCELS-laseren producerer impulser 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 bruges til at fokusere. Hvis pulsen for hver kanal komprimeres yderligere til 2,6 fs ved post-kompressionsteknik, vil den tilsvarende udgangspulseffekt blive øget til 230 PW, svarende til lysintensiteten på 2,0×1025 W/cm2.
For at opnå større lysintensitet vil lysimpulserne i de 12 kanaler ved 600 PW output 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 øges 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 at bruge 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 parabolspejlet på stråle 6 indstillet til transparent, og input- og output-strålerne viser kun to kanaler 1 og 7
Figur 3 viser det rumlige layout af hvert funktionsområde af XCELS-lasersystemet i forsøgsbygningen. El, vakuumpumper, vandbehandling, rensning og aircondition er placeret i kælderen. Det samlede byggeareal er på mere end 24.000 m2. Det samlede strømforbrug er omkring 7,5 MW. Forsøgsbygningen består af en indvendig hul overordnet ramme og en udvendig sektion, hver bygget på to afkoblede fundamenter. Vakuumet og andre vibrationsfremkaldende systemer installeres på det vibrationsisolerede fundament, således at amplituden af den forstyrrelse, der overføres til lasersystemet gennem fundamentet og understøtningen, reduceres til mindre end 10-10 g2/Hz i frekvensområdet på 1-200 Hz. Derudover er der i laserhallen opsat et netværk af geodætiske referencemarkører for systematisk at overvåge jordens og udstyrets afdrift.
XCELS-projektet har til formål at skabe et stort videnskabeligt forskningsanlæg baseret på lasere med ekstrem høj spidseffekt. En kanal i XCELS-lasersystemet kan give en fokuseret lysintensitet flere gange højere end 1024 W/cm2, som kan overskrides yderligere med 1025 W/cm2 med post-kompressionsteknologi. Ved dipolfokuserende pulser fra 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet tæt på 1026 W/cm2 opnås selv uden efterkompression og faselåsning. Hvis fasesynkroniseringen mellem kanaler er låst, vil lysintensiteten være flere gange højere. Ved at bruge disse rekordslående pulsintensiteter og flerkanalsstrålelayoutet vil det fremtidige XCELS-anlæg være i stand til at udføre eksperimenter med ekstrem høj intensitet, komplekse lysfeltfordelinger og diagnosticere interaktioner ved hjælp af multi-kanal laserstråler og sekundær stråling. Dette vil spille en unik rolle inden for eksperimentel fysik med superstærk elektromagnetisk felt.
Post tid: Mar-26-2024