Неодамна, Институтот за применета физика на Руската академија на науките го претстави Центарот eXawatt за проучување на екстремна светлина (XCELS), истражувачка програма за големи научни уреди заснована на екстремноласери со висока моќностПроектот вклучува изградба на многуласер со висока моќностбазирано на технологија за оптичко параметарско засилување на цврчечки пулси во кристали со голем отвор на калиум дидеутериум фосфат (DKDP, хемиска формула KD2PO4), со очекуван вкупен излез од 600 PW импулси со врвна моќност. Оваа работа дава важни детали и истражувачки наоди за проектот XCELS и неговите ласерски системи, опишувајќи ги апликациите и потенцијалните влијанија поврзани со интеракциите на ултрасилните светлосни полиња.
Програмата XCELS беше предложена во 2011 година со почетна цел да се постигне врвна моќностласеримпулсен излез од 200 PW, кој моментално е надграден на 600 PW. Неговиотласерски системсе потпира на три главни технологии:
(1) Технологијата на оптичко параметарско засилување на цврчечки импулси (OPCPA) се користи наместо традиционалната технологија на засилување на цврчечки импулси (CPA);
(2) Користејќи DKDP како медиум за засилување, ултраширокопојасното фазно усогласување се реализира во близина на брановата должина од 910 nm;
(3) Ласер од неодимиумско стакло со голем отвор со енергија на импулсот од илјадници џули се користи за пумпање на параметарски засилувач.
Ултра-широкопојасното фазно совпаѓање е широко распространето кај многу кристали и се користи во OPCPA фемтосекундните ласери. DKDP кристалите се користат бидејќи тие се единствениот материјал што се наоѓа во пракса и кој може да се одгледа до десетици сантиметри отвор, а во исто време има прифатливи оптички квалитети за поддршка на засилување на моќност од повеќе PW.ласериУтврдено е дека кога кристалот DKDP е испумпан од двојната фреквентна светлина на ND стаклениот ласер, ако брановата должина на носителот на засилениот импулс е 910 nm, првите три члена на Тејлоровото проширување на несовпаѓањето на брановиот вектор се 0.
Слика 1 е шематски приказ на ласерскиот систем XCELS. Предниот крај генерира цврчечки фемтосекундни импулси со централна бранова должина од 910 nm (1,3 на Слика 1) и 1054 nm наносекундни импулси инјектирани во OPCPA пумпаниот ласер (1,1 и 1,2 на Слика 1). Предниот крај, исто така, обезбедува синхронизација на овие импулси, како и потребните енергетски и просторно-временски параметри. Среден OPCPA кој работи со поголема брзина на повторување (1 Hz) го засилува цврчечкиот импулс до десетици џули (2 на Слика 1). Импулсот е дополнително засилен од Booster OPCPA во еден килоџулен зрак и поделен на 12 идентични подзраци (4 на Слика 1). Во последните 12 OPCPA, секој од 12-те цврчечки светлосни импулси се засилува до ниво на килоџули (5 на Слика 1), а потоа се компресира со 12 компресиони решетки (GC од 6 на Слика 1). Акусто-оптичкиот програмабилен дисперзионен филтер се користи во предниот дел за прецизно контролирање на дисперзијата на групната брзина и дисперзијата од висок ред, со цел да се добие најмалата можна ширина на импулсот. Спектарот на импулсот има облик на речиси супергаус од 12-ти ред, а спектралниот пропусен опсег на 1% од максималната вредност е 150 nm, што одговара на граничната ширина на импулсот на Фуриеовата трансформација од 17 fs. Со оглед на нецелосната дисперзиона компензација и тешкотијата на нелинеарната фазна компензација кај параметарските засилувачи, очекуваната ширина на импулсот е 20 fs.
Ласерот XCELS ќе користи два 8-канални UFL-2M модули за удвојување на фреквенцијата од неодимиумско стакло (3 на Слика 1), од кои 13 канали ќе се користат за пумпање на Booster OPCPA и 12 конечни OPCPA. Останатите три канали ќе се користат како независни наносекундни килоџули пулсирани.ласерски извориза други експерименти. Ограничен од прагот на оптичко распаѓање на кристалите DKDP, интензитетот на зрачењето на испумпаниот импулс е поставен на 1,5 GW/cm2 за секој канал, а времетраењето е 3,5 ns.
Секој канал на ласерот XCELS произведува импулси со моќност од 50 PW. Вкупно 12 канали обезбедуваат вкупна излезна моќност од 600 PW. Во главната целна комора, максималниот интензитет на фокусирање на секој канал под идеални услови е 0,44×1025 W/cm2, претпоставувајќи дека за фокусирање се користат F/1 елементи за фокусирање. Ако импулсот на секој канал дополнително се компресира на 2,6 fs со техника на пост-компресија, соодветната моќност на излезниот импулс ќе се зголеми на 230 PW, што одговара на интензитетот на светлината од 2,0×1025 W/cm2.
За да се постигне поголем интензитет на светлина, при излез од 600 PW, светлосните импулси во 12-те канали ќе бидат фокусирани во геометријата на инверзно диполско зрачење, како што е прикажано на Слика 2. Кога фазата на импулсот во секој канал не е заклучена, интензитетот на фокусот може да достигне 9×1025 W/cm2. Ако секоја фаза на импулсот е заклучена и синхронизирана, кохерентниот резултант на интензитет на светлината ќе се зголеми на 3,2×1026 W/cm2. Покрај главната целна просторија, проектот XCELS вклучува до 10 кориснички лаборатории, од кои секоја прима еден или повеќе зраци за експерименти. Користејќи го ова екстремно силно светлосно поле, проектот XCELS планира да спроведе експерименти во четири категории: процеси на квантна електродинамика во интензивни ласерски полиња; Производство и забрзување на честички; Генерирање на секундарно електромагнетно зрачење; Лабораториска астрофизика, процеси со висока густина на енергија и дијагностички истражувања.
СЛ. 2 Геометрија на фокусирање во главната целна комора. За јасност, параболичното огледало на зракот 6 е поставено на транспарентно, а влезните и излезните зраци прикажуваат само два канали 1 и 7.
Слика 3 го прикажува просторниот распоред на секоја функционална област на ласерскиот систем XCELS во експерименталната зграда. Електричната енергија, вакуумските пумпи, третманот на вода, прочистувањето и климатизацијата се наоѓаат во подрумот. Вкупната градежна површина е повеќе од 24.000 м2. Вкупната потрошувачка на енергија е околу 7,5 MW. Експерименталната зграда се состои од внатрешна шуплива рамка и надворешен дел, секоја изградена на две одвоени темели. Вакуумските и другите системи што предизвикуваат вибрации се инсталирани на темелот изолиран од вибрации, така што амплитудата на нарушувањето што се пренесува на ласерскиот систем преку темелите и потпората е намалена на помалку од 10-10 g2/Hz во фреквентниот опсег од 1-200 Hz. Покрај тоа, во ласерската сала е поставена мрежа од геодезиски референтни маркери за систематско следење на поместувањето на земјата и опремата.
Проектот XCELS има за цел да создаде голем научно-истражувачки објект базиран на ласери со екстремно висока врвна моќност. Еден канал од ласерскиот систем XCELS може да обезбеди фокусиран интензитет на светлина неколку пати поголем од 1024 W/cm2, кој може дополнително да се надмине за 1025 W/cm2 со технологија на пост-компресија. Со диполно фокусирање на импулси од 12 канали во ласерскиот систем, може да се постигне интензитет близу до 1026 W/cm2 дури и без пост-компресија и фазно заклучување. Ако фазната синхронизација помеѓу каналите е заклучена, интензитетот на светлината ќе биде неколку пати поголем. Користејќи ги овие рекордни интензитети на импулси и распоредот на повеќеканалниот сноп, идниот објект XCELS ќе може да изведува експерименти со екстремно висок интензитет, сложени распределби на светлосни полиња и да дијагностицира интеракции користејќи повеќеканални ласерски зраци и секундарно зрачење. Ова ќе игра единствена улога во областа на експерименталната физика на суперсилно електромагнетно поле.
Време на објавување: 26 март 2024 година