Недавно Институт прикладной физики Российской академии наук представил Центр изучения экстремального света eXawatt (XCELS) — исследовательскую программу для крупных научных устройств, основанную на чрезвычайнолазеры высокой мощности. Проект включает в себя строительство оченьлазер высокой мощностиоснован на технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах дидейтерия фосфата калия (DKDP, химическая формула KD2PO4) с большой апертурой и ожидаемой общей выходной мощностью импульсов пиковой мощности 600 ПВт. В этой работе представлены важные подробности и результаты исследований о проекте XCELS и его лазерных системах, описываются приложения и потенциальные воздействия, связанные со 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 традиционного усиления чирпированных импульсов (OPCPA) используется технология оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA). CPA) технология;
(2) Используя DKDP в качестве усиливающей среды, реализуется сверхширокополосный фазовый синхронизм вблизи длины волны 910 нм;
3. Для накачки параметрического усилителя используется широкоапертурный лазер на неодимовом стекле с энергией импульса в тысячи джоулей.
Сверхширокополосный фазовый синхронизм широко встречается во многих кристаллах и используется в фемтосекундных лазерах OPCPA. Кристаллы DKDP используются потому, что они являются единственным найденным на практике материалом, который можно вырастить до апертуры в десятки сантиметров и в то же время иметь приемлемые оптические качества для поддержки усиления мощности нескольких ПВт.лазеры. Установлено, что при накачке кристалла DKDP двухчастотным светом лазера на стекле ND, если несущая длина волны усиленного импульса равна 910 нм, первые три члена разложения Тейлора расстройки волновых векторов равны 0.
На рисунке 1 представлена схематическая схема лазерной системы XCELS. Передняя часть генерировала 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). Внешний интерфейс 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 Booster OPCPA в один килоджоульный луч и разделяется на 12 идентичных подлучей (4 на рисунке 1). В последних 12 OPCPA каждый из 12 чирпированных световых импульсов усиливается до уровня килоджоулей (5 на рисунке 1), а затем сжимается 12 решетками сжатия (GC = 6 на рисунке 1). Акустооптический программируемый дисперсионный фильтр используется во входной части для точного управления дисперсией групповой скорости и дисперсией высокого порядка, чтобы получить минимально возможную ширину импульса. Спектр импульса имеет форму супергаусса почти 12-го порядка, а ширина полосы спектра при 1% от максимального значения составляет 150 нм, что соответствует предельной ширине импульса преобразования Фурье 17 фс. Учитывая неполную компенсацию дисперсии и сложность нелинейной фазовой компенсации в параметрических усилителях, ожидаемая длительность импульса составляет 20 фс.
В лазере XCELS будут использованы два 8-канальных модуля удвоения частоты лазера на неодимовом стекле UFL-2M (3 на рисунке 1), из которых 13 каналов будут использоваться для накачки бустерного OPCPA и 12 окончательных OPCPA. Остальные три канала будут использоваться как независимые наносекундные килоджоульные импульсы.лазерные источникидля других экспериментов. Ограниченная порогом оптического пробоя кристаллов ДКДП, интенсивность излучения импульса накачки установлена равной 1,5 ГВт/см2 для каждого канала, длительность 3,5 нс.
Каждый канал лазера XCELS производит импульсы мощностью 50 ПВт. Всего 12 каналов обеспечивают общую выходную мощность 600 ПВт. В основной мишенной камере максимальная интенсивность фокусировки каждого канала в идеальных условиях составляет 0,44×1025 Вт/см2, если предположить, что для фокусировки используются фокусирующие элементы 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 заблокирована, интенсивность фокуса может достигают 9×1025 Вт/см2. Если каждая фаза импульса заблокирована и синхронизирована, результирующая когерентная интенсивность света увеличится до 3,2×1026 Вт/см2. Помимо основной целевой комнаты, проект XCELS включает в себя до 10 пользовательских лабораторий, каждая из которых получает один или несколько лучей для экспериментов. Используя это чрезвычайно сильное 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 высокой плотности энергии и диагностические исследования.
ИНЖИР. 2 Геометрия фокусировки в основной мишенной камере. Для наглядности параболическое зеркало луча 6 сделано прозрачным, а входной и выходной лучи показывают только два канала 1 и 7.
На рис. 3 показано пространственное расположение каждой функциональной зоны лазерной системы XCELS в экспериментальном корпусе. Электричество, вакуумные насосы, системы водоподготовки, очистки и кондиционирования 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 каркаса и внешней секции, каждая из которых построена на двух разобщенных фундаментах. Вакуумные и другие виброиндуцирующие системы устанавливаются на виброизолированном фундаменте, благодаря чему амплитуда возмущения, передаваемого на лазерную систему через фундамент и опору, снижается до уровня менее 10-10 г2/Гц в диапазоне частот 1-200 Гц. Кроме того, в лазерном зале установлена сеть геодезических ориентиров для систематического контроля за дрейфом грунта и оборудования.
Проект XCELS направлен на создание крупного научно-исследовательского центра на основе лазеров чрезвычайно высокой пиковой мощности. Один канал лазерной системы XCELS может обеспечить интенсивность сфокусированного света, в несколько раз превышающую 1024 Вт/см2, а при использовании технологии посткомпрессии эта цифра может быть увеличена еще на 1025 Вт/см2. За счет дипольной фокусировки 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 заблокирована, то интенсивность света будет в несколько раз выше. Используя эту рекордную интенсивность импульсов и многоканальную схему луча, будущая установка XCELS сможет проводить эксперименты с чрезвычайно высокой интенсивностью, сложным распределением светового поля и диагностировать взаимодействия с использованием многоканальных лазерных лучей и вторичного излучения. Это сыграет уникальную роль в области экспериментальной физики сверхсильных электромагнитных полей.
Время публикации: 26 марта 2024 г.