Нещодавно Інститут прикладної фізики Російської академії наук представив eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), дослідницьку програму для великих наукових пристроїв, заснованих на надзвичайнолазери високої потужності. Проект передбачає будівництво дужелазер високої потужностізаснований на технології оптичного параметричного підсилення чирпованих імпульсів у кристалах дидейтерій-фосфату калію з великою апертурою (DKDP, хімічна формула KD2PO4), з очікуваною сумарною вихідною потужністю 600 ПВт імпульсів пікової потужності. Ця робота містить важливі деталі та результати досліджень про проект XCELS та його лазерні системи, описуючи застосування та потенційні впливи, пов’язані з взаємодіями надсильних світлових полів.
Програма XCELS була запропонована в 2011 році з початковою метою досягнення максимальної потужностілазерімпульсна вихідна потужність 200 ПВт, яка наразі оновлена до 600 ПВт. Йоголазерна системабазується на трьох ключових технологіях:
(1) Технологія оптичного параметричного підсилення імпульсу з чирпедом (OPCPA) використовується замість традиційного підсилення імпульсу з чирпедом (Посилення імпульсу з чирпедом, OPCPA). CPA) технологія;
(2) Використовуючи DKDP як середовище посилення, ультраширокосмуговий фазовий узгодження реалізується поблизу довжини хвилі 910 нм;
(3) Лазер з неодимового скла з великою апертурою з енергією імпульсу в тисячі джоулів використовується для накачування параметричного підсилювача.
Надширокосмуговий фазовий узгодження широко зустрічається в багатьох кристалах і використовується в фемтосекундних лазерах OPCPA. Використовуються кристали DKDP, оскільки вони є єдиним матеріалом, знайденим на практиці, який можна виростити до десятків сантиметрів апертури і в той же час мати прийнятні оптичні якості для підтримки посилення потужності мульти-ПВ.лазери. Виявлено, що коли кристал DKDP накачується світлом подвійної частоти лазера зі скла ND, якщо довжина хвилі несучої посиленого імпульсу становить 910 нм, перші три члени розкладу Тейлора невідповідності хвильового вектора дорівнюють 0.
На малюнку 1 представлено схематичне розташування лазерної системи XCELS. Передній кінець генерував чирповані фемтосекундні імпульси з центральною довжиною хвилі 910 нм (1,3 на малюнку 1) і наносекундні імпульси 1054 нм, які вводилися в лазер з накачуванням OPCPA (1,1 і 1,2 на малюнку 1). Передній кінець також забезпечує синхронізацію цих імпульсів, а також необхідні енергетичні та просторово-часові параметри. Проміжний OPCPA, що працює з вищою частотою повторення (1 Гц), посилює чирпований імпульс до десятків джоулів (2 на малюнку 1). Імпульс додатково посилюється Booster OPCPA в один кілоджоульний промінь і розділяється на 12 ідентичних підпроменів (4 на малюнку 1). У останніх 12 OPCPA кожен із 12 чирпованих світлових імпульсів посилюється до рівня кілоджоулів (5 на малюнку 1), а потім стискається 12 ґратками стиснення (GC 6 на малюнку 1). Акустооптичний програмований дисперсійний фільтр використовується на передньому кінці для точного керування дисперсією групової швидкості та дисперсією високого порядку, щоб отримати найменшу можливу ширину імпульсу. Спектр імпульсу має форму супергауса майже 12-го порядку, а спектральна ширина смуги при 1% від максимального значення становить 150 нм, що відповідає граничній ширині імпульсу перетворення Фур'є 17 фс. Враховуючи неповну компенсацію дисперсії та труднощі нелінійної фазової компенсації в параметричних підсилювачах, очікувана ширина імпульсу становить 20 фс.
Лазер XCELS використовуватиме два 8-канальних модуля подвоєння частоти лазера з неодимового скла UFL-2M (3 на малюнку 1), з яких 13 каналів використовуватимуться для накачування Booster OPCPA та 12 кінцевих OPCPA. Решта три канали будуть використовуватися як незалежні наносекундні кілоджоульні імпульсилазерні джереладля інших експериментів. Обмежена порогом оптичного пробою кристалів DKDP, інтенсивність опромінення імпульсу накачування встановлюється 1,5 ГВт/см2 для кожного каналу, а тривалість 3,5 нс.
Кожен канал лазера XCELS виробляє імпульси потужністю 50 ПВт. Всього 12 каналів забезпечують загальну вихідну потужність 600 ПВт. У головній цільовій камері максимальна інтенсивність фокусування кожного каналу в ідеальних умовах становить 0,44×1025 Вт/см2, припускаючи, що для фокусування використовуються фокусуючі елементи F/1. Якщо імпульс кожного каналу додатково стискається до 2,6 фс за допомогою техніки посткомпресії, відповідна вихідна потужність імпульсу буде збільшена до 230 ПВт, що відповідає інтенсивності світла 2,0×1025 Вт/см2.
Для досягнення більшої інтенсивності світла при вихідній потужності 600 ПВт світлові імпульси в 12 каналах будуть сфокусовані в геометрії зворотного дипольного випромінювання, як показано на малюнку 2. Коли фаза імпульсу в кожному каналі не зафіксована, інтенсивність фокусу може досягають 9×1025 Вт/см2. Якщо кожна фаза імпульсу зафіксована та синхронізована, інтенсивність когерентного результуючого світла буде збільшена до 3,2×1026 Вт/см2. Крім основної цільової кімнати, проект XCELS включає до 10 лабораторій користувачів, кожна з яких отримує один або кілька променів для експериментів. Використовуючи це надзвичайно сильне світлове поле, проект XCELS планує провести експерименти в чотирьох категоріях: процеси квантової електродинаміки в інтенсивних лазерних полях; Утворення та прискорення частинок; Генерація вторинного електромагнітного випромінювання; Лабораторна астрофізика, процеси високої щільності енергії та діагностичні дослідження.
ФІГ. 2 Геометрія фокусування в головній цільовій камері. Для наочності параболічне дзеркало променя 6 встановлено на прозоре, а вхідний і вихідний пучки показують лише два канали 1 і 7
На малюнку 3 показано просторове розташування кожної функціональної зони лазерної системи XCELS в експериментальній будівлі. Електрика, вакуумні насоси, водопідготовка, очищення та кондиціонування знаходяться в підвалі. Загальна площа забудови становить понад 24 000 м2. Загальна споживана потужність становить близько 7,5 МВт. Експериментальна будівля складається з внутрішньої порожнистої загальної рами та зовнішньої секції, кожна з яких побудована на двох роз’єднаних фундаментах. Вакуумні та інші системи, що викликають вібрацію, встановлюються на віброізольованому фундаменті, так що амплітуда завад, що передаються на лазерну систему через фундамент і опору, зменшується до менше ніж 10-10 г2/Гц в частотному діапазоні 1-200 Гц. Крім того, в лазерному залі встановлено мережу геодезичних опорних маркерів для систематичного моніторингу дрейфу ґрунту та обладнання.
Проект XCELS спрямований на створення великого науково-дослідного центру на основі лазерів із надзвичайно високою піковою потужністю. Один канал лазерної системи XCELS може забезпечити інтенсивність сфокусованого світла в кілька разів вище 1024 Вт/см2, яку можна додатково перевищити на 1025 Вт/см2 за допомогою технології посткомпресії. За допомогою імпульсів дипольного фокусування з 12 каналів лазерної системи можна досягти інтенсивності, близької до 1026 Вт/см2, навіть без посткомпресії та синхронізації фаз. Якщо фазова синхронізація між каналами заблокована, інтенсивність світла буде в кілька разів вище. Використовуючи ці рекордні інтенсивності імпульсів і багатоканальне розташування променя, майбутній комплекс XCELS зможе проводити експерименти з надзвичайно високою інтенсивністю, складним розподілом світлового поля та діагностувати взаємодії за допомогою багатоканальних лазерних променів і вторинного випромінювання. Це зіграє унікальну роль у галузі експериментальної фізики надсильного електромагнітного поля.
Час публікації: 26 березня 2024 р