Недавно Институт прикладной физики Российской академии наук представил Эксаваттный центр изучения экстремального света (XCELS) — исследовательскую программу для крупных научных устройств, основанных на экстремальном свете.мощные лазерыПроект включает в себя строительство оченьмощный лазерДанная работа основана на технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах дидейтерированного фосфата калия (ДДФП, химическая формула KD2PO4) с большой апертурой и ожидаемой суммарной выходной мощностью импульсов в 600 ПВт. В ней представлены важные подробности и результаты исследований проекта XCELS и его лазерных систем, описаны области применения и потенциальное влияние, связанное с взаимодействием сверхсильных световых полей.
Программа XCELS была предложена в 2011 году с первоначальной целью достижения пиковой мощности.лазерИмпульсный выходной сигнал составлял 200 ПВт, в настоящее время он модернизирован до 600 ПВт.лазерная системаопирается на три ключевые технологии:
(1) Вместо традиционной технологии усиления чирпированных импульсов (усиление чирпированных импульсов, OPCPA) используется технология оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA);
(2) Использование DKDP в качестве среды усиления позволяет реализовать сверхширокополосное фазовое согласование вблизи длины волны 910 нм;
(3) Для накачки параметрического усилителя используется лазер на неодимовом стекле с большой апертурой и энергией импульса в тысячи джоулей.
Сверхширокополосное фазовое согласование широко распространено во многих кристаллах и используется в фемтосекундных лазерах OPCPA. Кристаллы DKDP используются потому, что это единственный материал, который можно выращивать с апертурой в десятки сантиметров и который одновременно обладает приемлемыми оптическими свойствами для усиления мощности в несколько петаватт.лазерыУстановлено, что при накачке кристалла DKDP светом удвоенной частоты лазера на основе стекла ND, если длина волны несущей усиленного импульса составляет 910 нм, первые три члена разложения Тейлора по рассогласованию волновых векторов равны 0.
На рисунке 1 представлена схематическая компоновка лазерной системы XCELS. На переднем конце генерируются чирпированные фемтосекундные импульсы с центральной длиной волны 910 нм (1.3 на рисунке 1) и наносекундные импульсы с длиной волны 1054 нм, которые вводятся в лазер, накачиваемый OPCPA (1.1 и 1.2 на рисунке 1). Передний конец также обеспечивает синхронизацию этих импульсов, а также необходимые энергетические и пространственно-временные параметры. Промежуточный OPCPA, работающий с более высокой частотой повторения (1 Гц), усиливает чирпированный импульс до десятков джоулей (2 на рисунке 1). Импульс дополнительно усиливается бустерным OPCPA в единый килоджоульный пучок и разделяется на 12 идентичных субпучков (4 на рисунке 1). В заключительном 12-канальном OPCPA каждый из 12 чирпированных световых импульсов усиливается до уровня килоджоулей (5 на рис. 1), а затем сжимается 12 компрессионными решетками (GC 6 на рис. 1). Акустооптический программируемый дисперсионный фильтр используется на входе для точного управления дисперсией групповой скорости и дисперсией высокого порядка, чтобы получить минимально возможную ширину импульса. Спектр импульса имеет форму, близкую к супергауссовой 12-го порядка, а спектральная ширина полосы пропускания на уровне 1% от максимального значения составляет 150 нм, что соответствует предельной ширине импульса в 17 фс, определяемой преобразованием Фурье. Учитывая неполную компенсацию дисперсии и сложность нелинейной фазовой компенсации в параметрических усилителях, ожидаемая ширина импульса составляет 20 фс.
В лазере XCELS будут использоваться два 8-канальных модуля удвоения частоты на основе неодимового стекла UFL-2M (3 на рисунке 1), из которых 13 каналов будут использоваться для накачки бустерного OPCPA, а 12 — для накачки конечного OPCPA. Оставшиеся три канала будут использоваться в качестве независимых наносекундных килоджоульных импульсов.лазерные источникидля других экспериментов. В связи с ограничением порога оптического пробоя кристаллов DKDP, интенсивность излучения накачивающего импульса установлена на уровне 1,5 ГВт/см2 для каждого канала, а длительность составляет 3,5 нс.
Каждый канал лазера XCELS генерирует импульсы мощностью 50 ПВт. В общей сложности 12 каналов обеспечивают суммарную выходную мощность 600 ПВт. В основной камере мишени максимальная интенсивность фокусировки каждого канала в идеальных условиях составляет 0,44×10²⁵ Вт/см², при условии использования фокусирующих элементов F/1. Если импульс каждого канала дополнительно сжать до 2,6 фс с помощью метода посткомпрессии, соответствующая выходная мощность импульса увеличится до 230 ПВт, что соответствует интенсивности света 2,0×10²⁵ Вт/см².
Для достижения большей интенсивности света при выходной мощности 600 ПВт световые импульсы в 12 каналах будут фокусироваться в геометрии обратного дипольного излучения, как показано на рисунке 2. Когда фаза импульса в каждом канале не синхронизирована, интенсивность фокусировки может достигать 9×10²⁵ Вт/см². Если фаза каждого импульса синхронизирована, когерентная результирующая интенсивность света увеличится до 3,2×10²⁶ Вт/см². Помимо основного помещения с мишенями, проект XCELS включает до 10 пользовательских лабораторий, каждая из которых получает один или несколько пучков для экспериментов. Используя это чрезвычайно мощное световое поле, проект XCELS планирует проводить эксперименты в четырех категориях: квантовые электродинамические процессы в интенсивных лазерных полях; производство и ускорение частиц; генерация вторичного электромагнитного излучения; лабораторная астрофизика, процессы с высокой плотностью энергии и диагностические исследования.
Рис. 2. Геометрия фокусировки в основной камере мишени. Для наглядности параболическое зеркало пучка 6 установлено в прозрачное состояние, а входной и выходной пучки показывают только два канала 1 и 7.
На рисунке 3 показано пространственное расположение каждой функциональной зоны лазерной системы XCELS в экспериментальном здании. Электропитание, вакуумные насосы, водоподготовка, очистка и кондиционирование воздуха расположены в подвале. Общая площадь застройки составляет более 24 000 м². Общее энергопотребление составляет около 7,5 МВт. Экспериментальное здание состоит из внутреннего полого каркаса и внешней секции, каждая из которых построена на двух разнесенных фундаментах. Вакуумные и другие виброизолирующие системы установлены на виброизолированном фундаменте, благодаря чему амплитуда возмущений, передаваемых на лазерную систему через фундамент и опоры, снижается до менее 10⁻¹⁰ г²/Гц в частотном диапазоне 1–200 Гц. Кроме того, в лазерном зале создана сеть геодезических опорных маркеров для систематического контроля смещения грунта и оборудования.
Проект XCELS направлен на создание крупного научно-исследовательского комплекса, основанного на лазерах с чрезвычайно высокой пиковой мощностью. Один канал лазерной системы XCELS может обеспечивать сфокусированную интенсивность света в несколько раз выше 1024 Вт/см², которая может быть дополнительно превышена до 1025 Вт/см² с помощью технологии посткомпрессии. Благодаря дипольной фокусировке импульсов из 12 каналов лазерной системы можно достичь интенсивности, близкой к 1026 Вт/см², даже без посткомпрессии и фазовой синхронизации. Если фазовая синхронизация между каналами будет зафиксирована, интенсивность света будет в несколько раз выше. Используя эти рекордные интенсивности импульсов и многоканальную компоновку пучка, будущий комплекс XCELS сможет проводить эксперименты с чрезвычайно высокой интенсивностью, сложным распределением светового поля и диагностировать взаимодействия с использованием многоканальных лазерных пучков и вторичного излучения. Это сыграет уникальную роль в области экспериментальной физики сверхсильных электромагнитных полей.
Дата публикации: 26 марта 2024 г.