Нещодавно Інститут прикладної фізики Російської академії наук представив Центр екстремального світла Екскават (XCELS), дослідницьку програму для великих наукових пристроїв на основі надзвичайноЛазери з високою потужністю. Проект включає будівництво дужеЛазер з високою потужністюНа основі оптичної технології ампліфікації щебетаного імпульсу у великій діафрагмі калію дідутерій фосфат (DKDP, хімічна формула KD2PO4) з очікуваним загальним виходом 600 PW пікових імпульсів. Ця робота надає важливі деталі та висновки досліджень щодо проекту Xcels та його лазерних систем, описуючи додатки та потенційні наслідки, пов'язані з ультра-сильними взаємодіями легкого поля.
Програма Xcels була запропонована в 2011 році з початковою метою досягнення пікової силилазерВихід імпульсу 200 PW, який наразі модернізується до 600 PW. Йоголазерна системапокладається на три ключові технології:
(1) Оптична технологія ампліфікації імпульсного імпульсу (OPCPA) використовується замість традиційної ампліфікації щебетаного імпульсу (ампліфікація щебетання імпульсу, OPCPA). CPA) технологія;
(2) Використовуючи DKDP як посилення середнього середовища, ультра широкосмугова фаза реалізується близько довжини хвилі 910 нм;
(3) Велика діафрагма неодимова скляна лазер з імпульсною енергією тисяч джоулів використовується для перекачування параметричного підсилювача.
Ультра-широкосмугова фаза широко міститься у багатьох кристалах і використовується в фемтосекундних лазерах OPCPA. Кристали DKDP використовуються тому, що вони є єдиним матеріалом, що містяться на практиці, який можна виростити до десятків сантиметрів діафрагми і в той же час мати прийнятні оптичні якості для підтримки посилення багатоповерхової потужностілазери. Встановлено, що коли кристал DKDP перекачує подвійною частотою світла ND -скляного лазера, якщо довжина хвилі носія ампліфікованого імпульсу становить 910 нм, перші три терміни розширення Тейлора хвильового вектора не є 0.
Фіг.1 - це схематичне макет лазерної системи Xcels. Передній кінець генерував щебетані фемтосекундні імпульси з центральною довжиною хвилі 910 нм (1,3 на малюнку 1) та 1054 нм наносекундних імпульсів, що вводяться в закачаний OPCPA (1,1 та 1,2 на малюнку 1). Передній кінець також забезпечує синхронізацію цих імпульсів, а також необхідні енергетичні та просторово -часові параметри. Проміжна OPCPA, що працює з більш високою швидкістю повторення (1 Гц), підсилює щебетаний імпульс до десятків джоулів (2 на малюнку 1). Імпульс далі посилюється підсилювальною OPCPA в один промінь кілоуле і поділяється на 12 однакових підкладок (4 на малюнку 1). В останніх 12 OPCPA кожен з 12 щебетаних світлових імпульсів посилюється до рівня кілоуле (5 на малюнку 1), а потім стискається 12 стисненнями (GC 6 на рисунку 1). Акустоптичний програмований фільтр дисперсії використовується в передньому кінці, щоб точно контрольна групова дисперсія та дисперсія високого порядку, щоб отримати найменшу можливу ширину імпульсу. Імпульсний спектр має форму майже 12-го порядку супергаусса, а спектральна пропускна здатність-1% від максимального значення-150 нм, що відповідає ширині імпульсу імпульсу Фур'є 17 фс. Враховуючи неповну компенсацію дисперсії та складність компенсації нелінійної фази в параметричних підсилювачах, очікувана ширина імпульсу становить 20 фс.
У Xcels Laser буде використати два 8-канальні UFL-2M неодимові скляні лазерні частоти подвоєння подвоєння (3 на малюнку 1), з яких 13 каналів будуть використані для перекачування підсилювальної OPCPA та 12 кінцевих OPCPA. Решта три канали будуть використовуватися як незалежна наносекунда кілоуле імпульсЛазерні джереладля інших експериментів. Обмежений поріг оптичного розщеплення кристалів DKDP, інтенсивність опромінення насосного імпульсу встановлюється на 1,5 ГВт/см2 для кожного каналу, а тривалість - 3,5 нс.
Кожен канал лазера Xcels виробляє імпульси потужністю 50 PW. Всього 12 каналів забезпечують загальну вихідну потужність 600 PW. У головній цільовій камері максимальна інтенсивність фокусування кожного каналу в ідеальних умовах становить 0,44 × 1025 Вт/см2, припускаючи, що для фокусування використовуються елементи фокусування F/1. Якщо імпульс кожного каналу подальше стискається до 2,6 фс методом після компресії, відповідна потужність вихідного імпульсу буде збільшена до 230 PW, що відповідає інтенсивності світла 2,0 × 1025 Вт/см2.
Для досягнення більшої інтенсивності світла на виході 600 PW світлові імпульси в 12 каналах будуть зосереджені в геометрії зворотного дипольного випромінювання, як показано на малюнку 2. Коли фаза імпульсу в кожному каналі не заблокована, інтенсивність фокусування може досягати 9 × 1025 Вт/см2. Якщо кожна імпульсна фаза заблокована та синхронізована, когерентна отримана інтенсивність світла буде збільшена до 3,2 × 1026 Вт/см2. На додаток до основного цільового приміщення, проект Xcels включає до 10 лабораторій користувачів, кожен з яких отримує один або кілька променів для експериментів. Використовуючи це надзвичайно сильне світлове поле, проект Xcels планує проводити експерименти у чотирьох категоріях: квантових процесів електродинаміки в інтенсивних лазерних полях; Виробництво та прискорення частинок; Генерація вторинного електромагнітного випромінювання; Лабораторна астрофізика, процеси щільності високої енергії та діагностичні дослідження.
Рис. 2 фокусування геометрії в основній цільовій камері. Для ясності параболічне дзеркало променя 6 встановлюється на прозорі, а вхідні та вихідні промені показують лише два канали 1 і 7
На малюнку 3 показано просторове макет кожної функціональної області лазерної системи Xcels в експериментальній будівлі. Електроенергія, вакуумні насоси, очищення води, очищення та кондиціонер розташовані в підвалі. Загальна зона будівництва - понад 24 000 м2. Загальне споживання електроенергії становить близько 7,5 МВт. Експериментальна будівля складається з внутрішнього загального кадру порожнини та зовнішньої секції, кожна з яких побудована на двох роз'єднаних основах. Вакуум та інші системи, що викликають вібрацію, встановлюються на основі, що виділяється вібрацією, так що амплітуда порушення, що передається в лазерну систему через фундамент, і підтримка зменшується до менше 10-10 г2/Гц у діапазоні частот 1-200 Гц. Крім того, в лазерному залі встановлюється мережа геодезичних референтних маркерів для систематичного моніторингу дрейфу землі та обладнання.
Проект Xcels має на меті створити велику наукову дослідницьку об'єкт, засновану на надзвичайно високих пікових силових лазерах. Один канал лазерної системи Xcels може забезпечити цілеспрямовану інтенсивність світла в кілька разів вище 1024 Вт/см2, що може бути додатково перевищене на 1025 Вт/см2 за допомогою технології після стискання. За допомогою дипольних імпульсів з 12 каналів у лазерній системі інтенсивність, близька до 1026 Вт/см2, може бути досягнута навіть без постій та фазового блокування. Якщо фазова синхронізація між каналами заблокована, інтенсивність світла буде в кілька разів вище. Використовуючи ці рекордні інтенсивності імпульсу та багатоканальний план променя, майбутній об'єкт Xcels зможе проводити експерименти з надзвичайно високою інтенсивністю, складними розподілами світла та діагностувати взаємодію з використанням багатоканальних лазерних променів та вторинного випромінювання. Це відіграватиме унікальну роль у галузі супер сильної електромагнітної експериментальної фізики.
Час посади: 26-2024 рр.