Onlangs introduceerde het Instituut voor Toegepaste Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen het eXawatt Centrum voor Extreme Lichtstudie (XCELS), een onderzoeksprogramma voor grote wetenschappelijke apparaten gebaseerd op extreemhoogvermogen lasersHet project omvat de bouw van een zeerhoogvermogen laserGebaseerd op optische parametrische chirped-pulsversterkingstechnologie in kaliumdideuteriumfosfaat (DKDP, chemische formule KD2PO4)-kristallen met grote opening, met een verwachte totale output van 600 PW piekvermogenpulsen. Dit werk biedt belangrijke details en onderzoeksresultaten over het XCELS-project en de bijbehorende lasersystemen, en beschrijft toepassingen en mogelijke effecten met betrekking tot interacties tussen ultrasterke lichtvelden.
Het XCELS-programma werd in 2011 voorgesteld met als eerste doel het bereiken van een piekvermogenlaserpulsuitgang van 200 PW, die momenteel is opgewaardeerd naar 600 PW.lasersysteemis gebaseerd op drie sleuteltechnologieën:
(1) In plaats van de traditionele Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA)-technologie wordt de Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-technologie gebruikt;
(2) Door DKDP als versterkingsmedium te gebruiken, wordt ultrabreedband-faseaanpassing gerealiseerd bij een golflengte van bijna 910 nm;
(3) Een neodymiumglaslaser met een grote opening en een pulsenergie van duizenden joules wordt gebruikt om een parametrische versterker te pompen.
Ultrabreedband faseaanpassing wordt veel gebruikt in kristallen en in OPCPA femtosecondelasers. DKDP-kristallen worden gebruikt omdat ze het enige materiaal zijn dat in de praktijk kan groeien tot een opening van tientallen centimeters en tegelijkertijd acceptabele optische eigenschappen heeft om de versterking van multi-PW-vermogens te ondersteunen.lasersEr is vastgesteld dat wanneer het DKDP-kristal wordt gepompt door het dubbelfrequente licht van de ND-glaslaser, als de draaggolfgolflengte van de versterkte puls 910 nm is, de eerste drie termen van de Taylor-uitbreiding van de golfvectormismatch 0 zijn.
Figuur 1 toont een schematische weergave van het XCELS-lasersysteem. De front-end genereerde gechirpte femtosecondepulsen met een centrale golflengte van 910 nm (1,3 in figuur 1) en nanosecondepulsen van 1054 nm, 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 en de benodigde energie- en ruimtelijk-temporele parameters. Een tussenliggende OPCPA, die met een hogere herhalingsfrequentie (1 Hz) werkt, versterkt de gechirpte puls tot tientallen joules (2 in figuur 1). De puls wordt verder versterkt door de Booster OPCPA tot één enkele kilojoulebundel en verdeeld in 12 identieke subbundels (4 in figuur 1). In de laatste 12 OPCPA's wordt elk van de 12 getjirpte lichtpulsen versterkt tot het kilojouleniveau (5 in figuur 1) en vervolgens gecomprimeerd door 12 compressieroosters (GC van 6 in figuur 1). Het akoestisch-optische programmeerbare dispersiefilter wordt in de front-end gebruikt om de groepssnelheidsdispersie en de hogere-ordedispersie nauwkeurig te regelen, om zo 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, wat overeenkomt met de Fourier-transformatielimietpulsbreedte van 17 fs. Rekening houdend met de onvolledige dispersiecompensatie en de moeilijkheid van niet-lineaire fasecompensatie in parametrische versterkers, is de verwachte pulsbreedte 20 fs.
De XCELS-laser maakt gebruik van twee 8-kanaals UFL-2M neodymiumglas laserfrequentieverdubbelingsmodules (3 in figuur 1), waarvan 13 kanalen worden gebruikt voor de booster OPCPA en 12 voor de eind-OPCPA. De overige drie kanalen worden gebruikt als onafhankelijke nanoseconde-kilojoule-pulsen.laserbronnenvoor andere experimenten. Beperkt door de optische doorslagdrempel van de DKDP-kristallen, wordt de bestralingsintensiteit 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 vermogen van 50 PW. In totaal leveren 12 kanalen een totaal uitgangsvermogen van 600 PW. In de hoofddoelkamer bedraagt de maximale focusintensiteit van elk kanaal onder ideale omstandigheden 0,44 × 1025 W/cm², ervan uitgaande dat F/1 focusseerelementen worden gebruikt voor de focussering. Als de puls van elk kanaal verder wordt gecomprimeerd tot 2,6 fs door middel van postcompressie, wordt het bijbehorende uitgangspulsvermogen verhoogd tot 230 PW, wat overeenkomt met een lichtintensiteit van 2,0 × 1025 W/cm².
Om een hogere lichtintensiteit te bereiken, worden bij een vermogen van 600 PW de lichtpulsen in de 12 kanalen gefocusseerd in de geometrie van inverse dipoolstraling, zoals weergegeven in Afbeelding 2. Wanneer de pulsfase in elk kanaal niet is vergrendeld, kan de focusintensiteit 9×1025 W/cm2 bereiken. Als elke pulsfase is vergrendeld en gesynchroniseerd, wordt de coherente resulterende lichtintensiteit verhoogd tot 3,2×1026 W/cm2. Naast de hoofddoelruimte omvat het XCELS-project maximaal 10 gebruikerslaboratoria, die elk één of meer bundels 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; de generatie van secundaire elektromagnetische straling; laboratoriumastrofysica, processen met hoge energiedichtheid en diagnostisch onderzoek.
FIG. 2 Focusseringsgeometrie in de hoofddoelkamer. Voor de duidelijkheid: de parabolische spiegel van bundel 6 is transparant ingesteld en de in- en uitgangsbundels tonen slechts twee kanalen 1 en 7.
Figuur 3 toont de ruimtelijke indeling van elk functioneel gebied van het XCELS-lasersysteem in het proefgebouw. Elektriciteit, vacuümpompen, waterzuivering, -zuivering en airconditioning bevinden zich in de kelder. De totale oppervlakte van de constructie is meer dan 24.000 m². Het totale energieverbruik bedraagt ongeveer 7,5 MW. Het proefgebouw bestaat uit een intern hol frame en een extern gedeelte, elk gebouwd op twee ontkoppelde funderingen. Het vacuüm en andere trillingsinducerende systemen zijn geïnstalleerd op de trillingsgeïsoleerde fundering, waardoor de amplitude van de verstoring die via de fundering en de ondersteuning naar het lasersysteem wordt overgebracht, wordt teruggebracht tot minder dan 10-10 g²/Hz in het frequentiebereik van 1-200 Hz. Daarnaast is in de laserhal een netwerk van geodetische referentiemarkeringen geïnstalleerd om de drift van de grond en de apparatuur systematisch te monitoren.
Het XCELS-project beoogt een grote wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit te creëren, gebaseerd op lasers met extreem hoog piekvermogen. Eén kanaal van het XCELS-lasersysteem kan een gefocusseerde lichtintensiteit leveren die vele malen hoger is dan 1024 W/cm², wat met postcompressietechnologie zelfs met 1025 W/cm² kan worden overschreden. Door pulsen van 12 kanalen in het lasersysteem dipoolfocussend te maken, kan een intensiteit van bijna 1026 W/cm² worden bereikt, zelfs zonder postcompressie en fasevergrendeling. Als de fasesynchronisatie tussen de kanalen is vergrendeld, zal de lichtintensiteit vele malen hoger zijn. Dankzij deze recordbrekende pulsintensiteiten en de meerkanaals bundelopstelling zal de toekomstige XCELS-faciliteit experimenten kunnen uitvoeren met extreem hoge intensiteit, complexe lichtveldverdelingen en interacties kunnen diagnosticeren met behulp van meerkanaals laserbundels en secundaire straling. Dit zal een unieke rol spelen in de experimentele fysica van supersterke elektromagnetische velden.
Plaatsingstijd: 26-03-2024