Onlangs introduceerde het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Russische Academie van Wetenschappen het eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), een onderzoeksprogramma voor grote wetenschappelijke apparaten gebaseerd op extreemlasers met hoog vermogen. Het project omvat de bouw van een zeerlaser met hoog vermogengebaseerd op optische parametrische chirped-pulsversterkingstechnologie in kaliumdideuteriumfosfaat (DKDP, chemische formule KD2PO4) kristallen met grote opening, met een verwacht totaal vermogen van 600 PW piekvermogenpulsen. Dit werk biedt belangrijke details en onderzoeksresultaten over het XCELS-project en zijn lasersystemen, waarbij toepassingen en potentiële impacts worden beschreven die verband houden met ultrasterke lichtveldinteracties.
Het XCELS-programma werd in 2011 voorgesteld met als aanvankelijk doel het bereiken van een piekvermogenlaserpulsuitgang van 200 PW, momenteel opgewaardeerd naar 600 PW. Zijnlasersysteemvertrouwt op drie sleuteltechnologieën:
(1) Er wordt gebruik gemaakt van optische parametrische chirped pulse amplification (OPCPA)-technologie in plaats van de traditionele chirped pulse amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) technologie;
(2) Met behulp van DKDP als versterkingsmedium wordt ultrabreedband faseaanpassing gerealiseerd nabij een golflengte van 910 nm;
(3) Een neodymium-glaslaser met grote opening en een pulsenergie van duizenden joule wordt gebruikt om een parametrische versterker te pompen.
Ultrabreedband faseaanpassing wordt algemeen aangetroffen in veel kristallen en wordt gebruikt in OPCPA femtosecondelasers. DKDP-kristallen worden gebruikt omdat ze het enige materiaal zijn dat in de praktijk wordt aangetroffen en dat kan worden gekweekt tot tientallen centimeters opening en tegelijkertijd aanvaardbare optische kwaliteiten heeft om de versterking van multi-PW-vermogen te ondersteunen.lasers. Het is gebleken dat wanneer het DKDP-kristal wordt gepompt door het dubbelfrequente licht van de ND-glaslaser, als de draaggolflengte van de versterkte puls 910 nm is, de eerste drie termen van de Taylor-expansie van de golfvectormismatch 0 zijn.
Figuur 1 is een schematische lay-out van het XCELS-lasersysteem. De voorkant genereerde getjilpte femtosecondepulsen met een centrale golflengte van 910 nm (1,3 in figuur 1) en 1054 nm nanosecondepulsen geïnjecteerd in de OPCPA-gepompte laser (1,1 en 1,2 in figuur 1). De front-end zorgt ook voor de synchronisatie van deze pulsen, evenals de vereiste energie- en spatiotemporele parameters. Een tussenliggende OPCPA die met een hogere herhalingsfrequentie (1 Hz) werkt, versterkt de getjilpte puls tot tientallen joule (2 in figuur 1). De puls wordt door de Booster OPCPA verder versterkt tot een enkele kilojoulebundel en verdeeld in 12 identieke subbundels (4 in figuur 1). In de laatste 12 OPCPA's wordt elk van de twaalf getjilpte lichtpulsen versterkt tot het kilojoule-niveau (5 in figuur 1) en vervolgens gecomprimeerd door 12 compressieroosters (GC van 6 in figuur 1). Het akoesto-optische programmeerbare dispersiefilter wordt aan de voorkant gebruikt om de groepssnelheidsdispersie en de hoge-orde-dispersie nauwkeurig te regelen, om zo de kleinst mogelijke pulsbreedte te verkrijgen. Het pulsspectrum heeft de vorm van bijna supergauss van de 12e orde, en de spectrale bandbreedte bij 1% van de maximale waarde is 150 nm, wat overeenkomt met de Fourier-transformatielimietpulsbreedte van 17 fs. Gezien de onvolledige dispersiecompensatie en de moeilijkheid van niet-lineaire fasecompensatie in parametrische versterkers, is de verwachte pulsbreedte 20 fs.
De XCELS-laser zal gebruik maken van twee 8-kanaals UFL-2M neodymium-glaslaserfrequentieverdubbelingsmodules (3 in figuur 1), waarvan 13 kanalen zullen worden gebruikt om de Booster OPCPA en 12 definitieve OPCPA te pompen. De overige drie kanalen zullen worden gebruikt als onafhankelijke gepulseerde nanoseconden-kilojoulelaser bronnenvoor andere experimenten. Beperkt door de optische doorslagdrempel van de DKDP-kristallen, wordt de bestralingsintensiteit van de gepompte puls voor elk kanaal ingesteld op 1,5 GW/cm2 en de duur is 3,5 ns.
Elk kanaal van de XCELS-laser produceert pulsen met een vermogen van 50 PW. In totaal 12 kanalen zorgen voor een totaal uitgangsvermogen van 600 PW. In de hoofddoelkamer is de maximale focusseringsintensiteit van elk kanaal onder ideale omstandigheden 0,44 x 1025 W/cm2, ervan uitgaande dat F/1 focusseringselementen worden gebruikt voor het scherpstellen. Als de puls van elk kanaal verder wordt gecomprimeerd tot 2,6 fs door middel van postcompressietechniek, zal het overeenkomstige uitgangspulsvermogen worden verhoogd tot 230 PW, wat overeenkomt met de lichtintensiteit van 2,0 x 1025 W/cm2.
Om een grotere lichtintensiteit te bereiken, zullen bij een uitgangsvermogen van 600 PW de lichtpulsen in de 12 kanalen worden gefocusseerd in de geometrie van inverse dipoolstraling, zoals weergegeven in figuur 2. Wanneer de pulsfase in elk kanaal niet is vergrendeld, kan de focusintensiteit bereik 9×1025 W/cm2. Als elke pulsfase wordt vergrendeld en gesynchroniseerd, wordt de coherente resulterende lichtintensiteit verhoogd tot 3,2 x 1026 W/cm2. Naast de hoofddoelkamer omvat het XCELS-project maximaal 10 gebruikerslaboratoria, die elk een of meer stralen ontvangen voor experimenten. Met behulp van dit extreem sterke lichtveld wil het XCELS-project experimenten uitvoeren in vier categorieën: kwantumelektrodynamische processen in intense laservelden; De productie en versnelling van deeltjes; Het genereren van secundaire elektromagnetische straling; Laboratoriumastrofysica, processen met hoge energiedichtheid en diagnostisch onderzoek.
AFB. 2 Focusgeometrie in de hoofddoelkamer. Voor de duidelijkheid is de parabolische spiegel van straal 6 ingesteld op transparant en tonen de in- en uitgangsstralen slechts twee kanalen 1 en 7
Figuur 3 toont de ruimtelijke indeling van elk functioneel gebied van het XCELS-lasersysteem in het experimentele gebouw. Elektriciteit, vacuümpompen, waterbehandeling, zuivering en airconditioning bevinden zich in de kelder. De totale bouwoppervlakte bedraagt ruim 24.000 m2. Het totale stroomverbruik bedraagt ongeveer 7,5 MW. Het proefgebouw bestaat uit een intern hol totaalskelet en een buitengedeelte, elk gebouwd op twee ontkoppelde funderingen. De vacuüm- en andere trillingsopwekkende systemen worden op de trillingsgeïsoleerde fundering geïnstalleerd, zodat de amplitude van de verstoring die via de fundering en ondersteuning naar het lasersysteem wordt overgebracht, wordt teruggebracht tot minder dan 10-10 g2/Hz in het frequentiebereik van 1-200 Hz. Bovendien wordt in de laserhal een netwerk van geodetische referentiemarkeringen opgezet om systematisch de drift van de grond en de apparatuur te monitoren.
Het XCELS-project heeft tot doel een grote wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit te creëren op basis van lasers met extreem hoog piekvermogen. Eén kanaal van het XCELS-lasersysteem kan een gerichte lichtintensiteit leveren die meerdere malen hoger is dan 1024 W/cm2, wat verder kan worden overschreden met 1025 W/cm2 met postcompressietechnologie. Door dipoolfocusserende pulsen van 12 kanalen in het lasersysteem kan een intensiteit dichtbij 1026 W/cm2 worden bereikt, zelfs zonder nacompressie en fasevergrendeling. Als de fasesynchronisatie tussen de kanalen vergrendeld is, zal de lichtintensiteit meerdere malen hoger zijn. Met behulp van deze recordbrekende pulsintensiteiten en de meerkanaalsbundelindeling zal de toekomstige XCELS-faciliteit experimenten kunnen uitvoeren met extreem hoge intensiteit, complexe lichtveldverdelingen, en interacties kunnen diagnosticeren met behulp van meerkanaalslaserstralen en secundaire straling. Dit zal een unieke rol spelen op het gebied van de experimentele fysica van supersterke elektromagnetische velden.
Posttijd: 26 maart 2024