Recentemente, l'Istituto di Fisica applicata dell'Accademia delle scienze russe ha introdotto l'Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), un programma di ricerca per grandi dispositivi scientifici basato su estremamenteLaser ad alta potenza. Il progetto include la costruzione di un moltoLaser ad alta potenzaBasato sulla tecnologia di amplificazione dell'impulso cinguettata parametrica ottica nei cristalli di dideuterium di potassio ad apertura di grandi dimensioni (DKDP, formula chimica KD2PO4), con una produzione totale prevista di impulsi di potenza di picco da 600 pW. Questo lavoro fornisce importanti dettagli e risultati della ricerca sul progetto XCELS e sui suoi sistemi laser, descrivendo applicazioni e potenziali impatti relativi alle interazioni sul campo leggero ultra-forte.
Il programma XCELS è stato proposto nel 2011 con l'obiettivo iniziale di raggiungere una potenza di puntalaserOutput di impulsi di 200 PW, che è attualmente aggiornato a 600 PW. SuoSistema lasersi basa su tre tecnologie chiave:
(1) Viene utilizzata la tecnologia ottica di amplificazione dell'impulso cinguettita parametrica (OPCPA) al posto dell'amplificazione tradizionale dell'impulso cinguettata (amplificazione dell'impulso cinguettante, OPCPA). CPA) tecnologia;
(2) usando DKDP come mezzo di guadagno, la corrispondenza della fase a banda ultra larga viene realizzata vicino a una lunghezza d'onda di 910 nm;
(3) Un laser di vetro in neodimio ad apertura con un'energia a impulsi di migliaia di joule viene utilizzato per pompare un amplificatore parametrico.
La corrispondenza della fase a banda ultra-larga si trova ampiamente in molti cristalli e viene utilizzata nei laser Femtosecondi OPCPA. I cristalli DKDP vengono utilizzati perché sono l'unico materiale che si trova nella pratica che può essere coltivato a decine di centimetri di apertura e allo stesso tempo hanno qualità ottiche accettabili per supportare l'amplificazione della potenza multi-PWlaser. Si è scoperto che quando il cristallo DKDP viene pompato dalla luce a doppia frequenza del laser di vetro ND, se la lunghezza d'onda del trasporto dell'impulso amplificato è di 910 nm, i primi tre termini dell'espansione di Taylor della mancata corrispondenza del vettore d'onda sono 0.
La Figura 1 è un layout schematico del sistema laser XCELS. L'estremità anteriore ha generato impulsi di femtosecondi cinguettati con una lunghezza d'onda centrale di 910 nm (1.3 nella Figura 1) e impulsi di nanosecondi 1054 nm iniettati nel laser pompata OPCPA (1.1 e 1.2 in Figura 1). La parte anteriore garantisce anche la sincronizzazione di questi impulsi, nonché l'energia richiesta e i parametri spazio -temporali. Un OPCPA intermedio che opera a un tasso di ripetizione più elevato (1 Hz) amplifica l'impulso cinguettato a decine di joule (2 nella Figura 1). L'impulso è ulteriormente amplificato dal booster OPCPA in un raggio di un singolo chilojoule e diviso in 12 identici sotto-travi (4 nella Figura 1). Nell'ultima OPCPA finale, ciascuno dei 12 impulsi di luce cinguettati è amplificato al livello del kilojoule (5 nella Figura 1) e quindi compressa da 12 reticoli di compressione (GC di 6 in Figura 1). Il filtro di dispersione programmabile Acousto-Optic viene utilizzato nella parte anteriore per controllare con precisione la dispersione della velocità del gruppo e la dispersione di alto ordine, in modo da ottenere la più piccola larghezza dell'impulso possibile. Lo spettro dell'impulso ha una forma di quasi 12 ° ordine Supergauss e la larghezza di banda spettrale all'1% del valore massimo è di 150 nm, corrispondente alla larghezza dell'impulso di limite di trasformazione di Fourier di 17 fs. Considerando la compensazione della dispersione incompleta e la difficoltà della compensazione della fase non lineare negli amplificatori parametrici, la larghezza dell'impulso prevista è di 20 fs.
Il laser XCELS impiegherà due moduli di raddoppio di raddoppio di frequenza di vetro di neodimio UFL-2M a 8 canali (3 nella Figura 1), di cui 13 canali verranno utilizzati per pompare l'OPCPA booster e 12 OPCPA finale. I restanti tre canali saranno usati come nanosecondi indipendenti che pulsanofonti laserper altri esperimenti. Limitato dalla soglia di rottura ottica dei cristalli DKDP, l'intensità di irradiazione dell'impulso pompato è impostata su 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 forniscono una potenza di uscita totale di 600 pw. Nella camera target principale, l'intensità di messa a fuoco massima di ciascun canale in condizioni ideali è 0,44 × 1025 W/cm2, supponendo che gli elementi di messa a fuoco f/1 siano utilizzati per la messa a fuoco. Se l'impulso di ciascun canale viene ulteriormente compresso a 2,6 fs mediante tecnica post-compressione, la corrispondente potenza dell'impulso di uscita verrà aumentata a 230 PW, corrispondente all'intensità della luce di 2,0 × 1025 W/cm2.
Per ottenere una maggiore intensità della luce, a 600 pW, gli impulsi di luce nei 12 canali saranno focalizzati nella geometria della radiazione di dipolo inversa, come mostrato nella Figura 2. Quando la fase dell'impulso in ciascun canale non è bloccata, l'intensità di messa a fuoco può raggiungere 9 × 1025 W/cm2. Se ogni fase dell'impulso è bloccata e sincronizzata, l'intensità della luce risultante coerente verrà aumentata a 3,2 × 1026 W/cm2. Oltre alla sala target principale, il progetto XCELS include fino a 10 laboratori utente, ciascuno che riceve uno o più travi per esperimenti. Utilizzando questo campo di luce estremamente forte, il progetto XCELS prevede di effettuare esperimenti in quattro categorie: processi di elettrodinamica quantistica in intensi campi laser; La produzione e l'accelerazione delle particelle; La generazione di radiazioni elettromagnetiche secondarie; Astrofisica di laboratorio, processi ad alta densità di energia e ricerca diagnostica.
FICO. 2 geometria di messa a fuoco nella camera target principale. Per chiarezza, lo specchio parabolico di Beam 6 è impostato su trasparente e le travi di input e output mostrano solo due canali 1 e 7
La Figura 3 mostra il layout spaziale di ciascuna area funzionale del sistema laser XCELS nell'edificio sperimentale. Elettricità, pompe per vuoto, trattamento dell'acqua, purificazione e aria condizionata si trovano nel seminterrato. L'area di costruzione totale è superiore a 24.000 m2. Il consumo totale di energia è di circa 7,5 MW. L'edificio sperimentale è costituito da un telaio generale vuoto interno e una sezione esterna, ciascuna costruita su due basi disaccoppiate. Il vuoto e altri sistemi che inducono le vibrazioni sono installati sulla fondazione isolata da vibrazioni, in modo che l'ampiezza del disturbo trasmesso al sistema laser attraverso la fondazione e il supporto siano ridotti a meno di 10-10 g2/Hz nell'intervallo di frequenza di 1-200 Hz. Inoltre, nella Laser Hall è impostata una rete di marcatori di riferimento geodesi per monitorare sistematicamente la deriva del terreno e delle attrezzature.
Il progetto XCELS mira a creare una grande struttura di ricerca scientifica basata su laser di potenza di picco estremamente elevati. Un canale del sistema laser XCELS può fornire un'intensità della luce focalizzata più volte superiore a 1024 W/cm2, che può essere ulteriormente superato di 1025 W/cm2 con tecnologia post-compressione. Mediante impulsi di focalizzazione di dipolo da 12 canali nel sistema laser, è possibile ottenere un'intensità vicino a 1026 W/cm2 anche senza post-compressione e bloccaggio di fase. Se la sincronizzazione di fase tra i canali è bloccata, l'intensità della luce sarà più volte superiore. Utilizzando queste intensità di impulsi da record e il layout del raggio multicanale, la futura struttura XCELS sarà in grado di eseguire esperimenti con intensità estremamente elevata, distribuzioni di campo di luce complesse e diagnosticare interazioni utilizzando raggi laser a più canali e radiazioni secondarie. Questo avrà un ruolo unico nel campo della fisica sperimentale del campo elettromagnetico super forte.
Tempo post: mar-26-2024