Неодамна, Институтот за применета физика на Руската академија на науките го воведе eXawatt Центарот за екстремно светлосно проучување (XCELS), истражувачка програма за големи научни уреди базирани на екстремноласери со висока моќност. Проектот вклучува изградба на многуласер со висока моќностзаснована на технологијата за оптичко параметарско чкрипено засилување на импулсот во кристали со голем отвор на калиум дидеутериум фосфат (DKDP, хемиска формула KD2PO4), со очекувана вкупна излезна моќност од 600 PW пулсирања со врвна моќност. Ова дело дава важни детали и наоди од истражувањата за проектот XCELS и неговите ласерски системи, опишувајќи ги апликациите и потенцијалните влијанија поврзани со интеракции со ултрасилно светлосно поле.
Програмата XCELS беше предложена во 2011 година со почетна цел да се постигне врвна моќностласерскипулсен излез од 200 PW, кој моментално е надграден на 600 PW. Нејзинителасерски системсе потпира на три клучни технологии:
(1) Технологијата за оптичко параметриско засилување на пулсот (OPCPA) се користи наместо традиционалното засилување на пулсот со чирпирано (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) технологија;
(2) Користејќи го DKDP како медиум за засилување, совпаѓањето на фазата со ултра широкопојасно поврзување е реализирано во близина на бранова должина од 910 nm;
(3) Ласер од неодимиумско стакло со голем отвор со пулсна енергија од илјадници џули се користи за пумпање на параметарски засилувач.
Усогласувањето на фазата со ултра широк опсег е широко пронајдено во многу кристали и се користи во OPCPA фемтосекундните ласери. Кристалите DKDP се користат затоа што тие се единствениот материјал пронајден во пракса кој може да се зголеми до десетици сантиметри отвор и во исто време има прифатливи оптички квалитети за поддршка на засилување на моќноста со повеќе PWласери. Откриено е дека кога кристалот DKDP се пумпа од светлината со двојна фреквенција на стаклениот ласер ND, ако брановата должина на носителот на засилениот импулс е 910 nm, првите три члена на Тејлоровата експанзија на несовпаѓањето на брановиот вектори се 0.
Слика 1 е шематски распоред на ласерскиот систем XCELS. Предниот крај генерира чирчеви 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 дел, исто така, обезбедува синхронизација на овие импулси, како и потребната енергија и просторнотемпоралните параметри. Среден OPCPA кој работи со поголема брзина на повторување (1 Hz) го засилува чуканиот пулс до десетици џули (2 на слика 1). Пулсот дополнително се засилува со Booster OPCPA во еден килоџул зрак и се дели на 12 идентични под-зраци (4 на слика 1). Во последните 12 OPCPA, секој од 12-те свирени светлосни импулси се засилува до нивото на килоџули (5 на Слика 1) и потоа се компресира со 12 решетки за компресија (GC од 6 на Слика 1). Акусто-оптичкиот програмабилен филтер за дисперзија се користи во предниот дел за прецизно контролирање на дисперзијата на групната брзина и дисперзијата од висок ред, за да се добие најмала можна ширина на пулсот. Спектарот на пулсот има форма на супергаус од скоро 12-ти ред, а спектралниот пропусен опсег на 1% од максималната вредност е 150 nm, што одговара на граничната ширина на пулсот на Фуриевата трансформација од 17 fs. Со оглед на нецелосната компензација на дисперзија и тешкотијата на нелинеарната компензација на фазата кај параметарските засилувачи, очекуваната ширина на импулсот е 20 fs.
Ласерот XCELS ќе користи два 8-канални UFL-2M неодимиумско стакло ласерски модули за удвојување на фреквенцијата (3 на Слика 1), од кои 13 канали ќе се користат за пумпање на Booster OPCPA и 12 финални OPCPA. Преостанатите три канали ќе се користат како независни наносекунди килоџулиласерски извориза други експерименти. Ограничено со прагот на оптичко распаѓање на кристалите DKDP, интензитетот на зрачење на испумпаниот пулс е поставен на 1,5 GW/cm2 за секој канал и 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, под претпоставка дека елементите за фокусирање F/1 се користат за фокусирање. Ако пулсот на секој канал дополнително се компресира на 2,6 fs со техника на посткомпресија, соодветната излезна моќност на пулсот 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, на 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 пулсот во секој канал не е заклучена, интензитетот на фокусот може достигне 9×1025 W/cm2. Ако секоја пулсна фаза е заклучена и синхронизирана, кохерентниот резултат на интензитетот 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 добива по еден или повеќе греди за експерименти. Користејќи го ова исклучително 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 енергетска густина и дијагностички истражувања.
Сл. 2 Фокусирање на геометријата во главната целна комора. За јасност, параболичното огледало на зракот 6 е поставено на транспарентно, а влезните и излезните зраци покажуваат само два канали 1 и 7
Слика 3 го прикажува просторниот распоред на секоја функционална област на ласерскиот систем XCELS во експерименталната зграда. Во подрумот се наоѓаат струја, вакуум пумпи, третман на вода, прочистување и климатизација. 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 целокупна рамка и надворешен дел, секој изграден на две раздвоени темели. Вакуумот и другите системи што предизвикуваат вибрации се инсталирани на основата изолирана од вибрации, така што амплитудата на пречки што се пренесува на ласерскиот систем преку основата и потпората се намалува на помалку од 10-10 g2/Hz во опсегот на фреквенции од 1-200 Hz. Дополнително, во ласерската сала е поставена мрежа на геодетски референтни маркери за систематско следење на наносот на земјата и опремата.
Проектот XCELS има за цел да создаде голем објект за научно истражување заснован на ласери со исклучително висока моќност. Еден канал на ласерскиот систем XCELS може да обезбеди фокусиран интензитет на светлина неколку пати поголем од 1024 W/cm2, што може дополнително да се надмине за 1025 W/cm2 со технологијата за посткомпресија. Со пулсирања за фокусирање на дипол од 12 канали во ласерскиот систем, може да се постигне интензитет блиску до 1026 W/cm2 дури и без посткомпресија 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 повеќеканални зраци, идниот објект на XCELS ќе може да изведува експерименти со исклучително висок интензитет, сложени распределби на светлосните полиња и да дијагностицира интеракции користејќи повеќеканални ласерски зраци и секундарно зрачење. Ова ќе игра уникатна улога во областа на експерименталната физика на суперсилното електромагнетно поле.
Време на објавување: Мар-26-2024