Di recente, l'Istituto di fisica applicata dell'Accademia russa delle scienze ha introdotto l'eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), un programma di ricerca per grandi dispositivi scientifici basati su luce estremamentelaser ad alta potenzaIl progetto prevede la costruzione di un edificio moltolaser ad alta potenzaBasato sulla tecnologia di amplificazione ottica parametrica di impulsi chirped in cristalli di fosfato di potassio dideuterio (DKDP, formula chimica KD2PO4) ad ampia apertura, con una potenza di picco prevista di 600 PW. Questo lavoro fornisce dettagli importanti e risultati di ricerca sul progetto XCELS e sui suoi sistemi laser, descrivendo applicazioni e potenziali impatti relativi alle interazioni di campi luminosi ultra-forti.
Il programma XCELS è stato proposto nel 2011 con l'obiettivo iniziale di raggiungere una potenza di piccolaseruscita impulsiva di 200 PW, attualmente potenziata a 600 PW. La suasistema lasersi basa su tre tecnologie chiave:
(1) La tecnologia OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) viene utilizzata al posto della tradizionale tecnologia OPCPA (Chirped Pulse Amplification).
(2) Utilizzando DKDP come mezzo di guadagno, la corrispondenza di fase a banda ultra larga viene realizzata vicino alla lunghezza d'onda di 910 nm;
(3) Un laser al neodimio ad ampia apertura con un'energia di impulso di migliaia di joule viene utilizzato per pompare un amplificatore parametrico.
L'adattamento di fase a banda ultralarga è ampiamente presente in molti cristalli ed è utilizzato nei laser a femtosecondi OPCPA. I cristalli DKDP vengono utilizzati perché sono l'unico materiale disponibile in pratica che può essere coltivato fino a decine di centimetri di apertura e allo stesso tempo presentare qualità ottiche accettabili per supportare l'amplificazione di potenza multi-PW.laserSi è scoperto che quando il cristallo DKDP viene pompato dalla luce a doppia frequenza del laser a vetro ND, se la lunghezza d'onda portante dell'impulso amplificato è 910 nm, i primi tre termini dello sviluppo di Taylor della discordanza del vettore d'onda sono 0.
La Figura 1 mostra uno schema del sistema laser XCELS. Il front-end genera impulsi chirped a femtosecondi con una lunghezza d'onda centrale di 910 nm (1,3 in Figura 1) e impulsi nanosecondi a 1054 nm iniettati nel laser pompato da OPCPA (1,1 e 1,2 in Figura 1). Il front-end assicura anche la sincronizzazione di questi impulsi, nonché i parametri energetici e spaziotemporali richiesti. Un OPCPA intermedio, operante a una frequenza di ripetizione più elevata (1 Hz), amplifica l'impulso chirped a decine di joule (2 in Figura 1). L'impulso viene ulteriormente amplificato dal Booster OPCPA in un singolo fascio di kilojoule e suddiviso in 12 sottofasci identici (4 in Figura 1). Nei 12 OPCPA finali, ciascuno dei 12 impulsi di luce chirped viene amplificato a livello di kilojoule (5 in Figura 1) e quindi compresso da 12 reticoli di compressione (GC di 6 in Figura 1). Il filtro di dispersione programmabile acusto-ottico viene utilizzato nel front-end per controllare con precisione la dispersione della velocità di gruppo e la dispersione di ordine superiore, in modo da ottenere la minima larghezza di impulso possibile. Lo spettro dell'impulso ha una forma di supergauss di quasi il 12° ordine e la larghezza di banda spettrale all'1% del valore massimo è di 150 nm, corrispondente alla larghezza di impulso limite della trasformata di Fourier di 17 fs. Considerando la compensazione incompleta della dispersione e la difficoltà della compensazione di fase non lineare negli amplificatori parametrici, la larghezza di impulso prevista è di 20 fs.
Il laser XCELS impiegherà due moduli di raddoppio di frequenza laser a vetro di neodimio UFL-2M a 8 canali (3 in Figura 1), di cui 13 canali saranno utilizzati per pompare l'OPCPA Booster e 12 l'OPCPA finale. I restanti tre canali saranno utilizzati come impulsi indipendenti di nanosecondi e kilojoule.sorgenti laserPer altri esperimenti. Limitata dalla soglia di breakdown ottico dei cristalli DKDP, l'intensità di irradiazione dell'impulso pompato è impostata a 1,5 GW/cm² per ciascun canale e la durata è di 3,5 ns.
Ogni canale del laser XCELS produce impulsi con una potenza di 50 PW. Un totale di 12 canali fornisce una potenza di uscita totale di 600 PW. Nella camera principale del bersaglio, l'intensità massima di focalizzazione di ciascun canale in condizioni ideali è di 0,44×10⁻¹ W/cm², supponendo che vengano utilizzati elementi di focalizzazione F/1 per la focalizzazione. Se l'impulso di ciascun canale viene ulteriormente compresso a 2,6 fs mediante tecnica di post-compressione, la potenza dell'impulso di uscita corrispondente aumenterà a 230 PW, corrispondente a un'intensità luminosa di 2,0×10⁻¹ W/cm².
Per ottenere una maggiore intensità luminosa, a 600 PW di potenza in uscita, gli impulsi luminosi nei 12 canali saranno focalizzati secondo la geometria della radiazione dipolo inversa, come mostrato in Figura 2. Quando la fase dell'impulso in ciascun canale non è bloccata, l'intensità focale può raggiungere 9×10⁻¹ W/cm². Se ogni fase dell'impulso è bloccata e sincronizzata, l'intensità luminosa risultante coerente aumenterà a 3,2×10⁻¹ W/cm². Oltre alla sala principale, il progetto XCELS include fino a 10 laboratori utente, ciascuno dei quali riceve uno o più fasci per gli esperimenti. Utilizzando questo campo luminoso estremamente intenso, il progetto XCELS prevede di condurre esperimenti in quattro categorie: processi di elettrodinamica quantistica in campi laser intensi; produzione e accelerazione di particelle; generazione di radiazione elettromagnetica secondaria; astrofisica di laboratorio, processi ad alta densità di energia e ricerca diagnostica.
FIG. 2 Geometria di focalizzazione nella camera bersaglio principale. Per chiarezza, lo specchio parabolico del fascio 6 è impostato su trasparente e i fasci di ingresso e uscita mostrano solo due canali, 1 e 7.
La Figura 3 mostra la disposizione spaziale di ciascuna area funzionale del sistema laser XCELS nell'edificio sperimentale. Elettricità, pompe per vuoto, trattamento delle acque, purificazione e condizionamento dell'aria sono situati nel seminterrato. La superficie totale di costruzione è di oltre 24.000 m². Il consumo energetico totale è di circa 7,5 MW. L'edificio sperimentale è costituito da una struttura interna cava e da una sezione esterna, ciascuna costruita su due fondazioni disaccoppiate. I sistemi per il vuoto e gli altri sistemi che inducono vibrazioni sono installati sulle fondazioni isolate dalle vibrazioni, in modo che l'ampiezza del disturbo trasmesso al sistema laser attraverso le fondazioni e il supporto sia ridotta a meno di 10-10 g²/Hz nell'intervallo di frequenza 1-200 Hz. Inoltre, nella sala laser è installata una rete di riferimenti geodetici per monitorare sistematicamente la deriva del terreno e delle apparecchiature.
Il progetto XCELS mira a creare un grande impianto di ricerca scientifica basato su laser ad altissima potenza di picco. Un canale del sistema laser XCELS può fornire un'intensità luminosa focalizzata diverse volte superiore a 1024 W/cm², che può essere ulteriormente superata di 1025 W/cm² con la tecnologia di post-compressione. Grazie alla focalizzazione dipolare degli impulsi provenienti da 12 canali del sistema laser, è possibile raggiungere un'intensità prossima a 1026 W/cm² anche senza post-compressione e aggancio di fase. Se la sincronizzazione di fase tra i canali è agganciata, l'intensità luminosa sarà diverse volte superiore. Grazie a queste intensità di impulso da record e alla disposizione del fascio multicanale, il futuro impianto XCELS sarà in grado di eseguire esperimenti con distribuzioni di campo luminoso complesse e ad altissima intensità, e di diagnosticare le interazioni utilizzando fasci laser multicanale e radiazione secondaria. Ciò svolgerà un ruolo unico nel campo della fisica sperimentale dei campi elettromagnetici super-forti.
Data di pubblicazione: 26 marzo 2024