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 basati su luce estremamentelaser ad alta potenza. Il progetto comprende la costruzione di un moltolaser ad alta potenzabasato sulla tecnologia di amplificazione di impulsi chirp parametrici ottici in cristalli di dideuterio fosfato di potassio ad ampia apertura (DKDP, formula chimica KD2PO4), con una potenza di picco totale prevista di 600 PW. Questo lavoro fornisce importanti dettagli e risultati di ricerca sul progetto XCELS e sui suoi sistemi laser, descrivendo le applicazioni e i potenziali impatti relativi alle interazioni con campi luminosi ultra-intensi.
Il programma XCELS è stato proposto nel 2011 con l'obiettivo iniziale di raggiungere una potenza di piccolaserpotenza di uscita impulsiva di 200 PW, attualmente aggiornata a 600 PW.sistema lasersi basa su tre tecnologie chiave:
(1) La tecnologia di amplificazione di impulsi chirp parametrica ottica (OPCPA) viene utilizzata al posto della tradizionale tecnologia di amplificazione di impulsi chirp (CPA);
(2) Utilizzando il DKDP come mezzo di guadagno, si realizza un adattamento di fase a banda ultralarga vicino alla lunghezza d'onda di 910 nm;
(3) Un laser a vetro al neodimio di 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 attualmente disponibile che può essere coltivato fino a raggiungere aperture di decine di centimetri e allo stesso tempo possedere qualità ottiche accettabili per supportare l'amplificazione di potenza multi-PW.laserSi è constatato 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 del disallineamento del vettore d'onda sono 0.
La Figura 1 mostra lo schema del sistema laser XCELS. Il front-end genera impulsi a femtosecondi con chirp e lunghezza d'onda centrale di 910 nm (1.3 nella Figura 1) e impulsi a nanosecondi a 1054 nm iniettati nel laser pompato dall'OPCPA (1.1 e 1.2 nella Figura 1). Il front-end garantisce anche la sincronizzazione di questi impulsi, nonché l'energia e i parametri spazio-temporali richiesti. Un OPCPA intermedio, operante a una frequenza di ripetizione più elevata (1 Hz), amplifica l'impulso con chirp fino a decine di joule (2 nella Figura 1). L'impulso viene ulteriormente amplificato dall'OPCPA di booster in un singolo fascio da kilojoule e suddiviso in 12 sotto-fasci identici (4 nella Figura 1). Nell'OPCPA finale, ciascuno dei 12 impulsi luminosi con chirp viene amplificato fino al livello di kilojoule (5 nella Figura 1) e quindi compresso da 12 reticoli di compressione (GC 6 nella Figura 1). Il filtro di dispersione programmabile acusto-ottico viene utilizzato nella sezione di ingresso 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 quasi supergaussiana di dodicesimo ordine e la larghezza di banda spettrale all'1% del valore massimo è di 150 nm, corrispondente a una larghezza di impulso limite della trasformata di Fourier di 17 fs. Considerando la compensazione incompleta della dispersione e la difficoltà di 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 al neodimio in vetro UFL-2M a 8 canali (3 nella 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 di kilojoule a nanosecondi indipendentisorgenti laserper altri esperimenti. Limitata dalla soglia di rottura ottica 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.
Ciascun 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 bersaglio principale, l'intensità di focalizzazione massima di ciascun canale in condizioni ideali è di 0,44×10²⁵ W/cm², supponendo che vengano utilizzati elementi di focalizzazione F/1. Se l'impulso di ciascun canale viene ulteriormente compresso a 2,6 fs mediante una tecnica di post-compressione, la corrispondente potenza dell'impulso di uscita aumenterà a 230 PW, corrispondente a un'intensità luminosa di 2,0×10²⁵ W/cm².
Per ottenere una maggiore intensità luminosa, con una potenza di uscita di 600 PW, gli impulsi luminosi nei 12 canali saranno focalizzati nella geometria di radiazione a dipolo inverso, come mostrato in Figura 2. Quando la fase dell'impulso in ciascun canale non è bloccata, l'intensità focalizzata può raggiungere 9×10²⁵ W/cm². Se la fase di ciascun impulso è bloccata e sincronizzata, l'intensità luminosa coerente risultante aumenterà a 3,2×10²⁶ W/cm². Oltre alla sala bersaglio principale, il progetto XCELS comprende fino a 10 laboratori utente, ognuno 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 di 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. L'impianto elettrico, le pompe del vuoto, il trattamento e la purificazione dell'acqua e il condizionamento dell'aria sono situati nel seminterrato. La superficie totale dell'edificio 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. Il sistema di aspirazione e gli altri sistemi che inducono vibrazioni sono installati sulla fondazione antivibrazioni, 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 nell'intervallo di frequenza di 1-200 Hz. Inoltre, nella sala laser è installata una rete di marcatori di riferimento geodetici per monitorare sistematicamente lo spostamento 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 singolo canale del sistema laser XCELS può fornire un'intensità luminosa focalizzata diverse volte superiore a 10²⁴ W/cm², valore che può essere ulteriormente superato fino a 10²⁵ W/cm² con la tecnologia di post-compressione. Focalizzando gli impulsi dipolari 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 viene bloccata, l'intensità luminosa risulterà ancora maggiore. Grazie a queste intensità di impulso da record e alla configurazione multicanale del fascio, il futuro impianto XCELS sarà in grado di eseguire esperimenti con intensità estremamente elevate, distribuzioni complesse del campo luminoso e di diagnosticare interazioni utilizzando fasci laser multicanale e radiazione secondaria. Ciò riveste un ruolo unico nel campo della fisica sperimentale dei campi elettromagnetici super-intensi.
Data di pubblicazione: 26 marzo 2024