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 технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах дидейтерийфосфата калия (DKDP, химическая формула KD₂PO₂) с большой апертурой, с ожидаемой общей выходной мощностью импульсов 600 ПВт. В данной работе представлены важные сведения и результаты исследований проекта XCELS и его лазерных систем, а также описываются области применения и потенциальные воздействия, связанные с взаимодействием сверхсильных световых полей.
Программа XCELS была предложена в 2011 году с первоначальной целью достижения пиковой мощностилазерИмпульсная мощность 200 ПВт, которая в настоящее время увеличена до 600 ПВт.лазерная системаопирается на три ключевые технологии:
(1) Вместо традиционной технологии усиления чирпированных импульсов (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.
Сверхширокополосный фазовый синхронизм широко применяется во многих кристаллах и в фемтосекундных лазерах OPCPA. Кристаллы DKDP используются, поскольку это единственный материал, который можно выращивать с апертурой в десятки сантиметров и при этом иметь приемлемые оптические характеристики для усиления мощности многоволновых лазеров.лазеры. 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 волновых векторов равны 0.
На рисунке 1 представлена схема лазерной системы XCELS. Входной каскад генерирует чирпированные фемтосекундные импульсы с центральной длиной волны 910 нм (1.3 на рисунке 1) и наносекундные импульсы с длиной волны 1054 нм, инжектируемые в лазер с накачкой OPCPA (1.1 и 1.2 на рисунке 1). Входной каскад 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). Далее импульс усиливается усилителем Booster OPCPA в единый килоджоульный пучок и разделяется на 12 идентичных подпучков (4 на рисунке 1). В последнем 12 OPCPA каждый из 12 чирпированных световых импульсов усиливается до килоджоульного уровня (5 на рисунке 1) и затем сжимается 12 компрессионными решетками (GC = 6 на рисунке 1). Акустооптический программируемый дисперсионный фильтр используется во входном каскаде для точного управления дисперсией групповой скорости и дисперсией высокого порядка, чтобы получить минимально возможную длительность импульса. Спектр импульса имеет форму, близкую к супергауссу 12-го порядка, а спектральная ширина полосы пропускания на уровне 1% от максимального значения составляет 150 нм, что соответствует предельной длительности импульса преобразования Фурье 17 фс. Учитывая неполную компенсацию дисперсии и сложность нелинейной фазовой компенсации в параметрических усилителях, ожидаемая длительность импульса составляет 20 фс.
Лазер XCELS будет использовать два 8-канальных модуля удвоения частоты лазера на неодимовом стекле УФЛ-2М (3 на рисунке 1), из которых 13 каналов будут использоваться для накачки бустерного OPCPA, а 12 – для накачки конечного OPCPA. Остальные три канала будут использоваться как независимые наносекундные килоджоульные импульсы.лазерные источникидля других экспериментов. Интенсивность излучения накачиваемого импульса, ограниченная порогом оптического пробоя кристаллов DKDP, установлена на уровне 1,5 ГВт/см² для каждого канала, а длительность — 3,5 нс.
Каждый канал лазера XCELS генерирует импульсы мощностью 50 ПВт. 12 каналов обеспечивают суммарную выходную мощность 600 ПВт. В основной мишенной камере максимальная фокусирующая интенсивность каждого канала в идеальных условиях составляет 0,44×1025 Вт/см² при условии использования фокусирующих элементов с диафрагмой 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 синхронизирована, интенсивность фокуса может достигать 9×1025 Вт/см2. Если фаза каждого импульса синхронизирована и зафиксирована, когерентная результирующая интенсивность света увеличится до 3,2×1026 Вт/см2. Помимо основного целевого помещения, проект XCELS включает в себя 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; рождение и ускорение частиц; генерация вторичного электромагнитного излучения; лабораторная астрофизика, процессы с высокой плотностью энергии и диагностические исследования.
РИС. 2. Геометрия фокусировки в основной целевой камере. Для наглядности 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. Электроснабжение, вакуумные насосы, системы водоподготовки, очистки и кондиционирования 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 пустотного каркаса и внешней секции, каждая из которых установлена на двух развязанных фундаментах. Вакуумные и другие системы, создающие вибрации, установлены на виброизолированном фундаменте, благодаря чему амплитуда возмущений, передаваемых 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 реперных маркеров для систематического контроля дрейфа грунта и оборудования.
Проект XCELS направлен на создание крупной научно-исследовательской установки на основе лазеров с чрезвычайно высокой пиковой мощностью. Один канал лазерной системы XCELS может обеспечить интенсивность сфокусированного света в несколько раз превышающую 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, интенсивность, близкая к 1026 Вт/см2, может быть достигнута даже без посткомпрессии и фазовой синхронизации. При фазовой синхронизации между каналами интенсивность света будет в несколько раз выше. Используя эти рекордные интенсивности импульсов и многоканальную схему пучка, будущая установка 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.
Время публикации: 26 марта 2024 г.