Onlangs introduceerde het Instituut voor Toegepaste Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen het eXawatt Centrum voor Onderzoek naar Extreem Licht (XCELS), een onderzoeksprogramma voor grote wetenschappelijke apparaten gebaseerd op extreem licht.krachtige lasersHet project omvat de bouw van een zeerkrachtige laserGebaseerd op optische parametrische chirped pulse amplification-technologie in kaliumdideuteriumfosfaat (DKDP, chemische formule KD2PO4) kristallen met een 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 potentiële gevolgen van interacties met ultrasterke lichtvelden.
Het XCELS-programma werd in 2011 voorgesteld met als aanvankelijk doel het bereiken van een piekvermogen.laserpulsvermogen van 200 PW, dat momenteel is opgewaardeerd naar 600 PW.lasersysteemis gebaseerd op drie belangrijke technologieën:
(1) In plaats van de traditionele Chirped Pulse Amplification (CPA)-technologie wordt gebruikgemaakt van Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-technologie;
(2) Door DKDP als versterkingsmedium te gebruiken, wordt ultrabreedband faseaanpassing gerealiseerd bij een golflengte van ongeveer 910 nm;
(3) Een neodymiumglaslaser met een grote opening en een pulsenergie van duizenden joules wordt gebruikt om een parametrische versterker aan te drijven.
Ultrabreedband faseaanpassing komt veelvuldig voor in diverse kristallen en wordt gebruikt in OPCPA femtoseconde lasers. DKDP-kristallen worden gebruikt omdat dit het enige materiaal is dat in de praktijk kan worden gekweekt tot een opening van tientallen centimeters en tegelijkertijd acceptabele optische eigenschappen heeft om de versterking van vermogens van meerdere PW te ondersteunen.lasersEr is gebleken dat wanneer het DKDP-kristal wordt aangeslagen door het dubbelfrequente licht van de ND-glaslaser, de eerste drie termen van de Taylorreeksontwikkeling van de golfvectormismatch nul zijn als de draaggolfgolflengte van de versterkte puls 910 nm is.
Figuur 1 toont een schematische weergave van het XCELS-lasersysteem. De front-end genereert gechirpte femtoseconde pulsen met een centrale golflengte van 910 nm (1.3 in Figuur 1) en nanoseconde pulsen van 1054 nm die in de OPCPA-gepompte laser worden geïnjecteerd (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 intermediaire OPCPA, werkend met een hogere herhalingsfrequentie (1 Hz), versterkt de gechirpte puls tot tientallen joules (2 in Figuur 1). De puls wordt verder versterkt door de Booster OPCPA tot een enkele kilojoule bundel en verdeeld in 12 identieke subbundels (4 in Figuur 1). In de laatste 12 OPCPA's wordt elk van de 12 gechirpte lichtpulsen versterkt tot een kilojoule niveau (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 hogere-orde dispersie nauwkeurig te regelen, zodat de kleinst mogelijke pulsbreedte wordt verkregen. Het pulsspectrum heeft een vorm die bijna overeenkomt met een 12e-orde supergauss, en de spectrale bandbreedte bij 1% van de maximale waarde is 150 nm, wat overeenkomt met een pulsbreedte van 17 fs in de Fourier-transformatielimiet. Gezien de onvolledige dispersiecompensatie en de moeilijkheid van niet-lineaire fasecompensatie in parametrische versterkers, is de verwachte pulsbreedte 20 fs.
De XCELS-laser zal gebruikmaken van twee 8-kanaals UFL-2M neodymiumglaslaser-frequentieverdubbelingsmodules (3 in Figuur 1), waarvan 13 kanalen zullen worden gebruikt om de Booster OPCPA aan te drijven en 12 kanalen voor de uiteindelijke OPCPA. De resterende drie kanalen zullen worden gebruikt als onafhankelijke nanoseconde kilojoule-gepulseerde lasers.laserbronnenvoor andere experimenten. Beperkt door de optische doorslagdrempel van de DKDP-kristallen, is de bestralingsintensiteit van de gepompte puls ingesteld op 1,5 GW/cm2 voor elk kanaal en de duur op 3,5 ns.
Elk kanaal van de XCELS-laser produceert pulsen met een vermogen van 50 pW. In totaal leveren de 12 kanalen een uitgangsvermogen van 600 pW. In de hoofdtargetkamer is de maximale focusintensiteit van elk kanaal onder ideale omstandigheden 0,44 × 10²⁵ W/cm², ervan uitgaande dat er F/1-focuselementen worden gebruikt voor de focussering. Als de puls van elk kanaal verder wordt gecomprimeerd tot 2,6 fs door middel van postcompressie, zal het corresponderende uitgangspulsvermogen toenemen tot 230 pW, wat overeenkomt met een lichtintensiteit van 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Om een hogere lichtintensiteit te bereiken, bij een vermogen van 600 PW, worden de lichtpulsen in de 12 kanalen gefocusseerd in de geometrie van inverse dipoolstraling, zoals weergegeven in Figuur 2. Wanneer de pulsfase in elk kanaal niet is vergrendeld, kan de focusintensiteit 9 × 10²⁵ W/cm² bereiken. Als elke pulsfase wel vergrendeld en gesynchroniseerd is, zal de coherente resulterende lichtintensiteit toenemen tot 3,2 × 10²⁶ W/cm². Naast de hoofdruimte voor de doelapparatuur 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: kwantum-elektrodynamische 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 Focusgeometrie in de hoofddoelkamer. Voor de duidelijkheid is de parabolische spiegel van bundel 6 transparant gemaakt en tonen de in- en uitgaande bundels 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 meer dan 24.000 m². Het totale energieverbruik is ongeveer 7,5 MW. Het experimentele gebouw 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 trillingsisolerende fundering, zodat de amplitude van de verstoring die via de fundering en ondersteuning naar het lasersysteem wordt overgebracht, wordt gereduceerd tot minder dan 10⁻¹⁰ g²/Hz in het frequentiebereik van 1-200 Hz. Daarnaast is in de laserhal een netwerk van geodetische referentiepunten aangelegd om de verschuiving van de grond en de apparatuur systematisch te monitoren.
Het XCELS-project heeft als doel een grote wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit te creëren die gebaseerd is op lasers met een extreem hoog piekvermogen. Eén kanaal van het XCELS-lasersysteem kan een gefocusseerde lichtintensiteit leveren die vele malen hoger is dan 10²⁴ W/cm², en die met postcompressietechnologie zelfs kan worden overschreden tot 10²⁵ W/cm². Door pulsen van 12 kanalen in het lasersysteem dipoolgericht te focussen, 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. Met deze recordbrekende pulsintensiteiten en de configuratie met meerdere kanalen zal de toekomstige XCELS-faciliteit in staat zijn experimenten uit te voeren met extreem hoge intensiteiten en complexe lichtveldverdelingen, en interacties te diagnosticeren met behulp van laserbundels met meerdere kanalen en secundaire straling. Dit zal een unieke rol spelen in het veld van de experimentele natuurkunde van supersterke elektromagnetische velden.
Geplaatst op: 26 maart 2024