Onlangs introduceerde het Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences het Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), een onderzoeksprogramma voor grote wetenschappelijke apparaten op basis van extreemHigh Power Lasers. Het project omvat de bouw van een zeerhigh power laserGebaseerd op optische parametrische gejaagde pulsamplificatie -technologie in groot diafragma kaliumdideuterium fosfaat (DKDP, chemische formule KD2PO4) kristallen, met een verwachte totale output van 600 PW piekvermogenpulsen. Dit werk biedt belangrijke details en onderzoeksresultaten over het XCELS-project en zijn lasersystemen, die toepassingen en potentiële effecten beschrijven met betrekking tot ultrasterke lichtveldinteracties.
Het XCELS -programma werd in 2011 voorgesteld met het eerste doel om een piekvermogen te bereikenlaserPulsoutput van 200 PW, die momenteel wordt opgewaardeerd tot 600 PW. Zijnlasersysteemvertrouwt op drie belangrijke technologieën:
(1) Optische parametrische gejaagde pulsamplificatie (OPCPA) -technologie wordt gebruikt in plaats van traditionele tjirirped pulsamplificatie (Tjirped pulsamplificatie, OPCPA). CPA) technologie;
(2) het gebruik van DKDP als het versterkingsmedium, ultra breedbandfase -matching wordt gerealiseerd in de buurt van 910 nm golflengte;
(3) Een grote opening van de opening neodymiumglas laser met een pulsenergie van duizenden joules wordt gebruikt om een parametrische versterker te pompen.
Ultra-wideband-fase-matching wordt op grote schaal gevonden in veel kristallen en wordt gebruikt in OPCPA femtoseconde lasers. DKDP-kristallen worden gebruikt omdat ze het enige materiaal zijn dat in de praktijk wordt gevonden dat kan worden gekweekt tot tientallen centimeters van diafragma en tegelijkertijd acceptabele optische kwaliteiten hebben om de versterking van multi-pw kracht te ondersteunenlasers. Het blijkt dat wanneer het DKDP -kristal wordt gepompt door het dubbele frequentielicht van de ND -glazen laser, als de draaggolflengte van de geamplificeerde puls 910 nm is, de eerste drie termen van de Taylor -uitbreiding van de golfvectormismatch zijn 0.
Figuur 1 is een schematische lay -out van het Xcels -lasersysteem. De voorkant genereerde gechirpelde femtoseconde -pulsen met een centrale golflengte van 910 nm (1,3 in figuur 1) en 1054 nm nanoseconde pulsen geïnjecteerd in de OPCPA -pomplaser (1.1 en 1.2 in figuur 1). De voorkant zorgt ook voor de synchronisatie van deze pulsen, evenals de vereiste energie- en ruimtelijke parameters. Een tussenliggende OPCPA die werkt met een hogere herhalingssnelheid (1 Hz) versterkt de gejaagde puls tot tientallen joules (2 in figuur 1). De puls wordt verder versterkt door de booster OPCPA in een enkele kilojoule-balk en verdeeld in 12 identieke substralen (4 in figuur 1). In de laatste 12 OPCPA wordt elk van de 12 getjilpte lichtpulsen versterkt tot het Kilojoule -niveau (5 in figuur 1) en vervolgens gecomprimeerd door 12 compressievrijen (GC van 6 in figuur 1). Het akoesto-optische programmeerbare dispersiefilter wordt aan de voorkant gebruikt om de snelheidsdispersie van de regels en hoge orde dispersie precies te besturen, om de kleinst mogelijke pulsbreedte te verkrijgen. Het pulsspectrum heeft een vorm van bijna 12e-orde supergauss, en de spectrale bandbreedte bij 1% van de maximale waarde is 150 nm, overeenkomend met de Fourier-transformatielimietpulsbreedte van 17 fs. Gezien de onvolledige dispersiecompensatie en de moeilijkheid van niet -lineaire fase -compensatie in parametrische versterkers, is de verwachte pulsbreedte 20 fs.
De Xcels-laser zal gebruik maken van twee 8-kanaals UFL-2M Neodymium-glas laserfrequentie verdubbeling modules (3 in figuur 1), waarvan 13 kanalen worden gebruikt om de booster OPCPA en 12 laatste OPCPA te pompen. De resterende drie kanalen worden gebruikt als onafhankelijke nanoseconde kilojoule gepulseerdlaserbronnenvoor andere experimenten. Beperkt door de optische afbraakdrempel van de DKDP -kristallen, wordt de bestraling intensiteit van de gepompte puls ingesteld op 1,5 GW/cm2 voor elk kanaal en de duur is 3,5 ns.
Elk kanaal van de Xcels -laser produceert pulsen met een kracht van 50 PW. In totaal 12 kanalen bieden een totaal uitgangsvermogen van 600 PW. In de hoofddoelkamer is de maximale focusintensiteit van elk kanaal onder ideale omstandigheden 0,44 x 1025 W/cm2, ervan uitgaande dat f/1 focuselementen worden gebruikt om te focussen. Als de puls van elk kanaal verder wordt gecomprimeerd tot 2,6 FS door de techniek na de compressie, wordt het overeenkomstige uitgangspulsvermogen verhoogd tot 230 PW, overeenkomend met de lichtintensiteit van 2,0 x 1025 W/cm2.
Om een grotere lichtintensiteit te bereiken, bij 600 PW -uitgang, worden de lichtpulsen in de 12 kanalen gefocust in de geometrie van inverse dipoolstraling, zoals weergegeven in figuur 2. Wanneer de pulsfase in elk kanaal niet wordt vergrendeld, kan de focusintensiteit 9 × 1025 W/cm2 bereiken. Als elke pulsfase is vergrendeld en gesynchroniseerd, wordt de coherente resulterende lichtintensiteit verhoogd tot 3,2 x 1026 W/cm2. Naast de hoofddoelruimte omvat het XCELS -project maximaal 10 gebruikerslaboratoria, die elk een of meer balken ontvangen voor experimenten. Met behulp van dit extreem sterke lichtveld is het XCELS -project van plan experimenten uit te voeren in vier categorieën: kwantumelektrodynamische processen in intense laservelden; De productie en versnelling van deeltjes; Het genereren van secundaire elektromagnetische straling; Laboratorium astrofysica, hoge energiedichtheidsprocessen en diagnostisch onderzoek.
Fig. 2 Geometrie concentreren in de hoofddoelkamer. Voor de duidelijkheid is de parabolische spiegel van bundel 6 ingesteld op transparant, en de invoer- en uitgangstralen tonen slechts twee kanalen 1 en 7
Figuur 3 toont de ruimtelijke lay -out van elk functioneel gebied van het Xcels -lasersysteem in het experimentele gebouw. Elektriciteit, vacuümpompen, waterbehandeling, zuivering en airconditioning bevinden zich in de kelder. Het totale bouwoppervlak is meer dan 24.000 m2. Het totale stroomverbruik is ongeveer 7,5 MW. Het experimentele gebouw bestaat uit een interne holle algemeen kader en een extern gedeelte, elk gebouwd op twee ontkoppelde stichtingen. Het vacuüm en andere trillings-inducerende systemen worden geïnstalleerd op de vibratie-geïsoleerde fundering, zodat de amplitude van de verstoring door de fundering naar het lasersysteem wordt verzonden en ondersteuning wordt verminderd tot minder dan 10-10 g2/Hz in het frequentiebereik van 1-200 Hz. Bovendien is een netwerk van geodetische referentiemarkers opgezet in de laserhal om de drift van de grond en de apparatuur systematisch te controleren.
Het XCELS -project is bedoeld om een grote wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit te creëren op basis van extreem hoge piekvermogenslasers. Eén kanaal van het Xcels-lasersysteem kan een gerichte lichtintensiteit meerdere keren hoger dan 1024 W/cm2 bieden, die verder kan worden overschreden door 1025 W/cm2 met post-compressietechnologie. Door dipool-focuserende pulsen van 12 kanalen in het lasersysteem, kan een intensiteit in de buurt van 1026 W/CM2 worden bereikt, zelfs zonder post-compressie en fasevergrendeling. Als de fasesynchronisatie tussen kanalen is vergrendeld, zal de lichtintensiteit meerdere keren hoger zijn. Met behulp van deze recordbrekende pulsintensiteiten en de multi-channel bundellay-out, kan de toekomstige XCELS-faciliteit experimenten uitvoeren met extreem hoge intensiteit, complexe lichtveldverdelingen en diagnose interacties met behulp van multi-channel laserbalken en secundaire straling. Dit zal een unieke rol spelen op het gebied van supersterke elektromagnetisch veld-experimentele fysica.
Posttijd: maart-26-2024