Недавно Институт прикладной физики Российской академии наук представил Центр изучения экстремального света eXawatt (XCELS), исследовательскую программу для крупных научных устройств на основе чрезвычайнолазеры высокой мощности. Проект включает в себя строительство оченьлазер высокой мощностина основе оптической параметрической технологии усиления чирпированных импульсов в кристаллах дидейтерийфосфата калия с большой апертурой (DKDP, химическая формула KD2PO4) с ожидаемым общим выходом импульсов пиковой мощности 600 ПВт. Эта работа содержит важные подробности и результаты исследований о проекте XCELS и его лазерных системах, описывая приложения и потенциальные воздействия, связанные с сверхсильными взаимодействиями световых полей.
Программа XCELS была предложена в 2011 году с первоначальной целью достижения пиковой мощности.лазерИмпульсная мощность 200 ПВт, которая в настоящее время повышена до 600 ПВт. Еголазерная системаопирается на три ключевые технологии:
(1) Вместо традиционной технологии усиления чирпированных импульсов (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) используется технология оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA);
(2) При использовании DKDP в качестве среды усиления достигается 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, поскольку они являются единственным материалом, найденным на практике, который может быть выращен до десятков сантиметров апертуры и в то же время иметь приемлемые оптические качества для поддержки усиления мощности multi-PWлазеры. Установлено, что при накачке кристалла DKDP двухчастотным светом лазера на стекле ND, если несущая длина волны усиленного импульса составляет 910 нм, первые три члена разложения Тейлора рассогласования волнового вектора равны 0.
Рисунок 1 представляет собой схематическое изображение лазерной системы XCELS. Передняя часть генерирует чирпированные фемтосекундные импульсы с центральной длиной волны 910 нм (1,3 на рисунке 1) и наносекундные импульсы 1054 нм, инжектируемые в лазер с накачкой OPCPA (1,1 и 1,2 на рисунке 1). Передняя часть также обеспечивает синхронизацию этих импульсов, а также требуемые 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 далее усиливается усилителем OPCPA в один килоджоульный луч и делится на 12 идентичных подлучей (4 на рисунке 1). В конечном 12 OPCPA каждый из 12 чирпированных световых импульсов усиливается до уровня килоджоулей (5 на рисунке 1), а затем сжимается 12 компрессионными решетками (GC 6 на рисунке 1). Акустооптический программируемый дисперсионный фильтр используется на входе для точного управления дисперсией групповой скорости и дисперсией высокого порядка, чтобы получить наименьшую возможную ширину импульса. Спектр импульса имеет форму почти 12-го порядка супергаусса, а спектральная ширина полосы на уровне 1% от максимального значения составляет 150 нм, что соответствует предельной ширине импульса преобразования Фурье в 17 фс. Учитывая неполную компенсацию дисперсии и сложность нелинейной фазовой компенсации в параметрических усилителях, ожидаемая ширина импульса составляет 20 фс.
Лазер XCELS будет использовать два 8-канальных модуля удвоения частоты лазера на неодимовом стекле UFL-2M (3 на рисунке 1), из которых 13 каналов будут использоваться для накачки усилителя OPCPA и 12 конечных OPCPA. Остальные три канала будут использоваться как независимые наносекундные килоджоульные импульсныелазерные источникидля других экспериментов. Ограниченная порогом оптического пробоя кристаллов DKDP, интенсивность облучения накачиваемого импульса установлена на уровне 1,5 ГВт/см2 для каждого канала, а длительность составляет 3,5 нс.
Каждый канал лазера XCELS вырабатывает импульсы мощностью 50 ПВт. Всего 12 каналов обеспечивают общую выходную мощность 600 ПВт. В основной целевой камере максимальная фокусирующая интенсивность каждого канала в идеальных условиях составляет 0,44×1025 Вт/см2, предполагая, что для фокусировки используются фокусирующие элементы F/1. Если импульс каждого канала дополнительно сжать до 2,6 фс методом 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 заблокирована, интенсивность фокуса может достигать 9×1025 Вт/см2. Если каждая фаза импульса заблокирована и синхронизирована, когерентная результирующая интенсивность света будет увеличена до 3,2×1026 Вт/см2. Помимо основной целевой комнаты, проект XCELS включает до 10 пользовательских лабораторий, каждая из которых получает один или несколько пучков для экспериментов. Используя это чрезвычайно сильное световое поле, проект XCELS планирует проводить эксперименты в четырех категориях: процессы квантовой электродинамики в интенсивных лазерных полях; производство и ускорение частиц; генерация вторичного электромагнитного излучения; лабораторная астрофизика, процессы с высокой плотностью энергии и диагностические исследования.
ФИГ. 2 Геометрия фокусировки в основной целевой камере. Для ясности параболическое зеркало луча 6 установлено прозрачным, а входной и выходной лучи показывают только два канала 1 и 7
На рисунке 3 показана пространственная компоновка каждой функциональной зоны лазерной системы XCELS в экспериментальном здании. Электричество, вакуумные насосы, водоподготовка, очистка и кондиционирование воздуха расположены в подвале. Общая площадь застройки составляет более 24 000 м2. Общая потребляемая мощность составляет около 7,5 МВт. Экспериментальное здание состоит из внутреннего полого общего каркаса и внешней секции, каждая из которых построена на двух развязанных фундаментах. Вакуумные и другие системы, вызывающие вибрацию, установлены на виброизолированном фундаменте, так что амплитуда возмущения, передаваемого на лазерную систему через фундамент и опору, снижается до менее 10-10 g2/Гц в диапазоне частот 1-200 Гц. Кроме того, в лазерном зале установлена сеть геодезических опорных маркеров для систематического контроля дрейфа грунта и оборудования.
Проект XCELS направлен на создание крупного научно-исследовательского комплекса на основе лазеров с чрезвычайно высокой пиковой мощностью. Один канал лазерной системы XCELS может обеспечить интенсивность сфокусированного света в несколько раз выше 1024 Вт/см2, которая может быть дополнительно превышена на 1025 Вт/см2 с технологией посткомпрессии. За счет дипольной фокусировки импульсов из 12 каналов в лазерной системе интенсивность, близкая к 1026 Вт/см2, может быть достигнута даже без посткомпрессии и фазовой синхронизации. Если фазовая синхронизация между каналами заблокирована, интенсивность света будет в несколько раз выше. Используя эти рекордные интенсивности импульсов и многоканальную схему пучка, будущий комплекс XCELS сможет проводить эксперименты с чрезвычайно высокой интенсивностью, сложными распределениями светового поля и диагностировать взаимодействия с использованием многоканальных лазерных пучков и вторичного излучения. Это сыграет уникальную роль в области экспериментальной физики сверхсильных электромагнитных полей.
Время публикации: 26-03-2024