Recentemente, 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 basato su tecnologie estremamentelaser ad alta potenza. Il progetto prevede la realizzazione di un moltolaser ad alta potenzabasato sulla tecnologia di amplificazione ottica parametrica degli impulsi cinguettati in cristalli di fosfato di dideuterio di potassio (DKDP, formula chimica KD2PO4) a grande apertura, con una potenza totale prevista di impulsi di potenza di picco di 600 PW. Questo lavoro fornisce importanti dettagli e risultati della ricerca sul progetto XCELS e sui suoi sistemi laser, descrivendo applicazioni e potenziali impatti legati alle interazioni del campo di luce ultraforte.
Il programma XCELS è stato proposto nel 2011 con l'obiettivo iniziale di raggiungere una potenza di piccolaseruscita a impulsi di 200 PW, attualmente aggiornata a 600 PW. Suosistema lasersi basa su tre tecnologie chiave:
(1) La tecnologia OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) viene utilizzata al posto della tradizionale amplificazione Chirped Pulse (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). tecnologia CPA);
(2) Utilizzando DKDP come mezzo di guadagno, l'adattamento di fase a banda ultra larga viene realizzato vicino alla lunghezza d'onda di 910 nm;
(3) Un laser in vetro al neodimio a grande 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 e viene utilizzato nei laser a femtosecondi OPCPA. I cristalli DKDP vengono utilizzati perché sono l'unico materiale trovato nella pratica che può essere cresciuto fino 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 portante dell'impulso amplificato è 910 nm, i primi tre termini dell'espansione di Taylor del disadattamento del vettore d'onda sono 0.
La Figura 1 è un layout schematico del sistema laser XCELS. Il front-end ha generato impulsi al femtosecondo con una lunghezza d'onda centrale di 910 nm (1,3 nella Figura 1) e impulsi al nanosecondo di 1054 nm iniettati nel laser pompato OPCPA (1,1 e 1,2 nella Figura 1). Il front-end garantisce inoltre la sincronizzazione di questi impulsi nonché i parametri energetici e spazio-temporali richiesti. Un OPCPA intermedio che opera a una frequenza di ripetizione più elevata (1 Hz) amplifica l'impulso trillato a decine di joule (2 nella Figura 1). L'impulso viene ulteriormente amplificato dal Booster OPCPA in un fascio singolo kilojoule e diviso in 12 sottofasci identici (4 nella Figura 1). Nei 12 OPCPA finali, ciascuno dei 12 impulsi luminosi emessi viene amplificato al livello di kilojoule (5 nella Figura 1) e quindi compresso da 12 reticoli di compressione (GC di 6 nella 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 elevato, in modo da ottenere la minima larghezza di impulso possibile. Lo spettro degli impulsi 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 dell'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, l'ampiezza dell'impulso prevista è 20 fs.
Il laser XCELS utilizzerà due moduli di raddoppio della frequenza del laser in vetro al neodimio UFL-2M a 8 canali (3 nella Figura 1), di cui 13 canali verranno utilizzati per pompare il Booster OPCPA e 12 OPCPA finali. I restanti tre canali verranno utilizzati come pulsazioni indipendenti di nanosecondi kilojoulesorgenti laserper altri esperimenti. Limitata 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.
Ciascun 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, presupponendo che per la messa a fuoco vengano utilizzati elementi di messa a fuoco F/1. Se l'impulso di ciascun canale viene ulteriormente compresso a 2,6 fs mediante tecnica post-compressione, la potenza dell'impulso di uscita corrispondente verrà aumentata a 230 PW, corrispondente all'intensità della luce di 2,0×1025 W/cm2.
Per ottenere una maggiore intensità luminosa, con un'uscita di 600 PW, gli impulsi luminosi nei 12 canali verranno focalizzati nella geometria della radiazione dipolare inversa, come mostrato nella Figura 2. Quando la fase dell'impulso in ciascun canale non è bloccata, l'intensità della messa a fuoco può raggiungere 9×1025 W/cm2. Se ciascuna 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 comprende 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 effettuare esperimenti in quattro categorie: processi di elettrodinamica quantistica in campi laser intensi; La produzione e l'accelerazione delle particelle; La generazione di radiazione elettromagnetica secondaria; Astrofisica di laboratorio, processi ad alta densità energetica e ricerca diagnostica.
FICO. 2 Geometria di messa a fuoco nella camera target principale. Per chiarezza, lo specchio parabolico del raggio 6 è impostato su trasparente e i raggi 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. Al piano interrato sono ubicati l'energia elettrica, le pompe per vuoto, il trattamento delle acque, la depurazione e l'aria condizionata. La superficie totale edificabile è di oltre 24.000 m2. Il consumo energetico totale è di circa 7,5 MW. L'edificio sperimentale è costituito da un telaio interno cavo e da una sezione esterna, ciascuno realizzato su due fondazioni disaccoppiate. Il vuoto e altri sistemi che inducono vibrazioni sono installati sulla fondazione isolata dalle vibrazioni, in modo che l'ampiezza del disturbo trasmesso al sistema laser attraverso la fondazione e il supporto sia ridotta a meno di 10-10 g2/Hz nella gamma di frequenza di 1-200 Hz. Inoltre, nella sala laser è allestita una rete di riferimenti geodetici 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 con potenza di picco estremamente elevata. Un canale del sistema laser XCELS può fornire un'intensità di luce focalizzata diverse volte superiore a 1024 W/cm2, che può essere ulteriormente superata di 1025 W/cm2 con la tecnologia post-compressione. Focalizzando gli impulsi dipolo provenienti da 12 canali nel sistema laser, è possibile ottenere un'intensità vicina 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 molte volte superiore. Utilizzando queste intensità di impulso da record e la disposizione del fascio multicanale, la futura struttura XCELS sarà in grado di eseguire esperimenti con distribuzioni di campi luminosi complessi e di intensità estremamente elevata e diagnosticare le interazioni utilizzando raggi laser multicanale e radiazioni secondarie. Ciò giocherà un ruolo unico nel campo della fisica sperimentale dei campi elettromagnetici super-forti.
Orario di pubblicazione: 26 marzo 2024