Нещодавно Інститут прикладної фізики Російської академії наук представив Центр дослідження екстремального світла eXawatt (XCELS) – дослідницьку програму для великих наукових пристроїв на основі надзвичайно...лазери високої потужностіПроєкт включає будівництво дужелазер високої потужностіна основі технології оптичного параметричного посилення імпульсів з чирпуванням у кристалах дидейтерійфосфату калію (DKDP, хімічна формула KD2PO4) з великою апертурою, з очікуваною загальною вихідною потужністю пікових імпульсів 600 ПВт. Ця робота містить важливі деталі та результати досліджень щодо проекту XCELS та його лазерних систем, описуючи застосування та потенційний вплив, пов'язаний із взаємодією надсильних світлових полів.
Програму XCELS було запропоновано у 2011 році з початковою метою досягнення пікової потужностілазерімпульсна вихідна потужність 200 ПВт, яка наразі модернізована до 600 ПВт.лазерна системаспирається на три ключові технології:
(1) Замість традиційної технології підсилення імпульсів з частотною частотою (OPCPA) використовується технологія оптичного параметричного підсилення імпульсів з частотною частотою;
(2) Використовуючи DKDP як середовище підсилення, реалізується надширокосмугове фазове узгодження поблизу довжини хвилі 910 нм;
(3) Для накачування параметричного підсилювача використовується лазер на неодимовому склі з великою апертурою та енергією імпульсу в тисячі джоулів.
Ультраширокосмугове фазове узгодження широко поширене в багатьох кристалах і використовується у фемтосекундних лазерах OPCPA. Кристали DKDP використовуються, оскільки вони є єдиним матеріалом, що зустрічається на практиці, який можна вирощувати до десятків сантиметрів апертури та водночас мати прийнятні оптичні якості для підтримки посилення потужності багатоімпульсного випромінювання.лазериВиявлено, що коли кристал DKDP накачується світлом подвійної частоти лазера на склі ND, і довжина хвилі несучої посиленого імпульсу становить 910 нм, перші три члени розкладу Тейлора невідповідності хвильового вектора дорівнюють 0.
На рисунку 1 показано схематичне розташування лазерної системи XCELS. Фронтальний блок генерував фемтосекундні імпульси з центральною довжиною хвилі 910 нм (1,3 на рисунку 1) та наносекундні імпульси 1054 нм, що вводилися в лазер з накачуванням OPCPA (1,1 та 1,2 на рисунку 1). Фронтальний блок також забезпечує синхронізацію цих імпульсів, а також необхідні енергетичні та просторово-часові параметри. Проміжний OPCPA, що працює з вищою частотою повторення (1 Гц), підсилює імпульс з частотою чірпування до десятків джоулів (2 на рисунку 1). Імпульс додатково посилюється підсилювальним OPCPA в один кілоджоульний промінь і поділяється на 12 ідентичних підпроменів (4 на рисунку 1). В останніх 12 OPCPA кожен з 12 імпульсів з частотою чірпування світла посилюється до рівня кілоджоулів (5 на рисунку 1), а потім стискається 12 компресійними ґратками (ГК 6 на рисунку 1). Акустооптичний програмований дисперсійний фільтр використовується на вході для точного контролю дисперсії групової швидкості та дисперсії високого порядку, щоб отримати найменшу можливу ширину імпульсу. Спектр імпульсу має форму майже 12-го порядку супергауссової активності, а спектральна смуга пропускання на рівні 1% від максимального значення становить 150 нм, що відповідає граничній ширині імпульсу перетворення Фур'є 17 фс. Враховуючи неповну компенсацію дисперсії та складність нелінійної фазової компенсації в параметричних підсилювачах, очікувана ширина імпульсу становить 20 фс.
Лазер XCELS використовуватиме два 8-канальні модулі подвоєння частоти лазера UFL-2M на неодимовому склі (3 на рисунку 1), з яких 13 каналів будуть використовуватися для накачування бустерного OPCPA, а 12 - для кінцевого OPCPA. Решта три канали будуть використовуватися як незалежні імпульси наносекундної кілоджоульової потужності.лазерні джереладля інших експериментів. Обмежена порогом оптичного пробою кристалів DKDP, інтенсивність опромінення накачуваним імпульсом встановлена на рівні 1,5 ГВт/см2 для кожного каналу, а тривалість становить 3,5 нс.
Кожен канал лазера XCELS генерує імпульси потужністю 50 ПВт. Загалом 12 каналів забезпечують загальну вихідну потужність 600 ПВт. В основній камері мішені максимальна інтенсивність фокусування кожного каналу за ідеальних умов становить 0,44×10²⁴ Вт/см², за умови використання фокусуючих елементів F/1 для фокусування. Якщо імпульс кожного каналу додатково стиснути до 2,6 фс за допомогою методу пост-стиснення, відповідна вихідна потужність імпульсу збільшиться до 230 ПВт, що відповідає інтенсивності світла 2,0×10²⁴ Вт/см².
Для досягнення більшої інтенсивності світла, при вихідній потужності 600 ПВт, світлові імпульси у 12 каналах будуть фокусуватися в геометрії оберненого дипольного випромінювання, як показано на рисунку 2. Коли фаза імпульсу в кожному каналі не фіксована, інтенсивність фокусування може досягати 9×10²⁶ Вт/см². Якщо кожна фаза імпульсу фіксована та синхронізована, когерентна результуюча інтенсивність світла збільшиться до 3,2×10²⁶ Вт/см². Окрім основної цільової кімнати, проект XCELS включає до 10 лабораторій користувачів, кожна з яких отримує один або декілька променів для експериментів. Використовуючи це надзвичайно сильне світлове поле, проект XCELS планує проводити експерименти у чотирьох категоріях: процеси квантової електродинаміки в інтенсивних лазерних полях; виробництво та прискорення частинок; генерація вторинного електромагнітного випромінювання; лабораторна астрофізика, процеси високої щільності енергії та діагностичні дослідження.
РИС. 2 Геометрія фокусування в основній камері мішені. Для наочності параболічне дзеркало променя 6 встановлено на прозоре, а вхідний та вихідний промені показують лише два канали 1 та 7.
На рисунку 3 показано просторове розташування кожної функціональної зони лазерної системи XCELS в експериментальному корпусі. Електроенергія, вакуумні насоси, системи очищення води, очищення та кондиціонування повітря розташовані в підвалі. Загальна площа будівництва становить понад 24 000 м2. Загальне споживання електроенергії становить близько 7,5 МВт. Експериментальний корпус складається з внутрішньої порожнистої загальної рами та зовнішньої секції, кожна з яких побудована на двох розділених фундаментах. Вакуумна та інші системи, що викликають вібрацію, встановлені на віброізольованому фундаменті, завдяки чому амплітуда збурень, що передаються лазерній системі через фундамент та опору, зменшується до менш ніж 10-10 г2/Гц у діапазоні частот 1-200 Гц. Крім того, в лазерному залі встановлено мережу геодезичних опорних маркерів для систематичного контролю зсуву ґрунту та обладнання.
Проєкт XCELS має на меті створити великий науково-дослідний центр на базі лазерів з надзвичайно високою піковою потужністю. Один канал лазерної системи XCELS може забезпечити сфокусовану інтенсивність світла, що в кілька разів перевищує 1024 Вт/см2, і яку можна ще більше перевищити на 1025 Вт/см2 за допомогою технології посткомпресії. Завдяки дипольному фокусуванню імпульсів з 12 каналів лазерної системи можна досягти інтенсивності, близької до 1026 Вт/см2, навіть без посткомпресії та фазової синхронізації. Якщо фазова синхронізація між каналами заблокована, інтенсивність світла буде в кілька разів вищою. Використовуючи ці рекордні інтенсивності імпульсів та багатоканальну схему розташування променя, майбутній центр XCELS зможе проводити експерименти з надзвичайно високою інтенсивністю, складними розподілами світлового поля та діагностувати взаємодії за допомогою багатоканальних лазерних променів та вторинного випромінювання. Це відіграватиме унікальну роль в галузі експериментальної фізики надсильних електромагнітних полів.
Час публікації: 26 березня 2024 р.