For nylig introducerede Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), et forskningsprogram for store videnskabelige enheder baseret på ekstremtLasere med høj effekt. Projektet inkluderer opførelse af en megetLaser med høj effektBaseret på optisk parametrisk kvitret pulsamplifikationsteknologi i stor åbning af kaliumdideuteriumphosphat (DKDP, kemisk formel KD2PO4) krystaller med et forventet samlet output på 600 PW -topkraftpulser. Dette arbejde giver vigtige detaljer og forskningsresultater om XCELS-projektet og dets lasersystemer, der beskriver applikationer og potentielle virkninger relateret til ultra-stærke lysfeltinteraktioner.
XCELS -programmet blev foreslået i 2011 med det oprindelige mål om at opnå en spidsstyrkelaserPulsudgang på 200 PW, som i øjeblikket er opgraderet til 600 PW. DensLasersystemer afhængig af tre nøgleteknologier:
(1) Optisk parametrisk kvitret pulsamplifikation (OPCPA) -teknologi bruges i stedet for traditionel kvitret pulsforstærkning (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) teknologi;
(2) anvendelse af DKDP som forstærkningsmedium, ultra bredbåndsfasematching realiseres nær 910 nm bølgelængde;
(3) En stor blænde neodymlaslaser med en pulsenergi på tusinder af joules bruges til at pumpe en parametrisk forstærker.
Ultra-bredbåndsfasematchning findes bredt i mange krystaller og bruges i OPCPA femtosekundlasere. DKDP-krystaller bruges, fordi de er det eneste materiale, der findes i praksis, der kan dyrkes til titusinder af centimeter blænde og på samme tid har acceptable optiske egenskaber til at understøtte amplificeringen af multi-PW-effektlasere. Det konstateres, at når DKDP -krystallen pumpes af dobbeltfrekvenslyset i ND -glaslaseren, hvis bærerens bølgelængde af den amplificerede puls er 910 nm, er de første tre udtryk for Taylor -udvidelsen af Wave Vector -mismatchet 0.
Figur 1 er et skematisk layout af XCELS -lasersystemet. Den frontend genererede kvitrede femtosekund pulser med en central bølgelængde på 910 nm (1,3 i figur 1) og 1054 nm nanosekund pulser injiceret i OPCPA pumpet laser (1,1 og 1,2 i figur 1). Forenden sikrer også synkroniseringen af disse pulser såvel som de krævede energi og spatiotemporale parametre. En mellemliggende OPCPA, der opererer med en højere gentagelseshastighed (1 Hz), forstærker den kvitrede puls til titusinder af joules (2 i figur 1). Pulsen 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 amplificeres hver af de 12 kvitrede lysimpulser til kilojoule -niveauet (5 i figur 1) og komprimeres derefter med 12 komprimeringsgitter (GC på 6 i figur 1). Det akusto-optiske programmerbare spredningsfilter bruges i frontenden til nøjagtigt kontrolgruppens hastighedsdispersion og spredning med høj orden for at opnå den mindste mulige pulsbredde. Pulsspektret har en form på næsten 12. orden supergauss, og den spektrale båndbredde ved 1% af den maksimale værdi er 150 nm, svarende til Fourier-transformgrænse-pulsbredden 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 anvender to 8-kanals UFL-2M Neodymium-glaslaserfrekvens, der fordobler moduler (3 i figur 1), hvoraf 13 kanaler vil blive brugt til at pumpe Booster OPCPA og 12 Final OPCPA. De resterende tre kanaler vil blive brugt som uafhængig nanosekund kilojoule pulseretlaserkildertil andre eksperimenter. Begrænset af den optiske sammenbrudstærskel 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 på XCels -laser 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 fokuserer elementer bruges til fokus. Hvis pulsen på hver kanal er yderligere komprimeret til 2,6 fs ved post-komprimeringsteknik, øges den tilsvarende udgangspulseffekt til 230 PW, svarende til lysintensiteten på 2,0 × 1025 w/cm2.
For at opnå større lysintensitet ved 600 PW -output vil lysimpulser i de 12 kanaler fokuseres i geometrien af inverse dipolstråling, som vist i figur 2. Når pulsfasen i hver kanal ikke er låst, kan fokusintensiteten nå 9 × 1025 m/cm2. Hvis hver pulsfase er låst og synkroniseret, øges den sammenhængende resulterende lysintensitet til 3,2 × 1026 w/cm2. Foruden hovedmålrummet inkluderer XCELS -projektet op til 10 brugerlaboratorier, der hver modtager en eller flere bjælker til eksperimenter. Ved hjælp af dette ekstremt stærke lysfelt planlægger XCELS -projektet at udføre eksperimenter i fire kategorier: kvanteelektrodynamikprocesser i intense laserfelter; Produktion og acceleration af partikler; Generering af sekundær elektromagnetisk stråling; Laboratorie astrofysik, processer med høj energitæthed og diagnostisk forskning.
Fig. 2 Fokuseringsgeometri i hovedmålkammeret. For klarhed
Figur 3 viser det rumlige layout for hvert funktionelt område af XCELS -lasersystemet i den eksperimentelle bygning. Elektricitet, vakuumpumper, vandbehandling, rensning og aircondition er placeret i kælderen. Det samlede konstruktionsområde er mere end 24.000 m2. Det samlede strømforbrug er ca. 7,5 MW. Den eksperimentelle bygning består af en intern hule samlede ramme og et eksternt afsnit, der hver er bygget på to afkoblede fundamenter. Vakuumet og andre vibrationsfremkaldende systemer er installeret på det vibrationsisolerede fundament, så amplituden af forstyrrelsen, der transmitteres til lasersystemet gennem fundamentet og understøttelsen, reduceres til mindre end 10-10 G2/Hz i frekvensområdet 1-200 Hz. Derudover er et netværk af geodesiske referencemarkører oprettet i laserhallen for systematisk at overvåge jorden og udstyrets drift.
XCELS -projektet sigter mod at skabe en stor videnskabelig forskningsfacilitet baseret på ekstremt høje spidsstyrke. En kanal i XCELS-lasersystemet kan tilvejebringe en fokuseret lysintensitet flere gange højere end 1024 W/cm2, som yderligere kan overskrides med 1025 W/cm2 med post-komprimeringsteknologi. Ved dipolfokuserende pulser fra 12 kanaler i lasersystemet kan en intensitet tæt på 1026 W/cm2 opnås, selv uden post-komprimering og faselåsning. Hvis fasesynkroniseringen mellem kanaler er låst, vil lysintensiteten være flere gange højere. Ved hjælp af disse rekordstore pulsintensiteter og multikanalsbjælelayoutet vil den fremtidige XCELS-facilitet være i stand til at udføre eksperimenter med ekstremt høj intensitet, komplekse lysfeltfordelinger og diagnosticere interaktioner ved hjælp af multi-kanals laserstråler og sekundær stråling. Dette vil spille en unik rolle inden for super-stærk elektromagnetisk felteksperimentel fysik.
Posttid: Mar-26-2024