Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências introduziu o Centro eXawatt para Estudos de Luz Extrema (XCELS), um programa de pesquisa para grandes dispositivos científicos baseados emlasers de alta potência. O projeto inclui a construção de um muitolaser de alta potênciaBaseado na tecnologia de amplificação óptica paramétrica de pulsos chiados em cristais de fosfato de dideutério de potássio (DKDP, fórmula química KD2PO4) de grande abertura, com uma produção total esperada de pulsos de potência de pico de 600 PW. Este trabalho fornece detalhes importantes e resultados de pesquisa sobre o projeto XCELS e seus sistemas de laser, descrevendo aplicações e potenciais impactos relacionados a interações de campos de luz ultraforte.
O programa XCELS foi proposto em 2011 com o objetivo inicial de atingir uma potência máximalasersaída de pulso de 200 PW, que atualmente foi atualizada para 600 PW.sistema de laserconta com três tecnologias principais:
(1) A tecnologia de amplificação de pulso chirped paramétrico óptico (OPCPA) é usada em vez da tecnologia tradicional de amplificação de pulso chirped (Amplificação de pulso chirped, OPCPA). CPA);
(2) Usando DKDP como meio de ganho, a correspondência de fase de banda ultralarga é realizada perto do comprimento de onda de 910 nm;
(3) Um laser de vidro de neodímio de grande abertura com uma energia de pulso de milhares de joules é usado para bombear um amplificador paramétrico.
O casamento de fase de banda ultralarga é amplamente encontrado em muitos cristais e é usado em lasers de femtossegundo OPCPA. Cristais DKDP são usados porque são o único material encontrado na prática que pode ser expandido para dezenas de centímetros de abertura e, ao mesmo tempo, apresentar qualidades ópticas aceitáveis para suportar a amplificação de potência multi-PW.lasers. Foi descoberto que quando o cristal DKDP é bombeado pela luz de frequência dupla do laser de vidro ND, se o comprimento de onda portador do pulso amplificado for 910 nm, os três primeiros termos da expansão de Taylor da incompatibilidade do vetor de onda serão 0.
A Figura 1 apresenta um esquema do sistema laser XCELS. A extremidade frontal gera pulsos de femtossegundos com um comprimento de onda central de 910 nm (1,3 na Figura 1) e pulsos de nanossegundos de 1054 nm injetados no laser bombeado OPCPA (1,1 e 1,2 na Figura 1). A extremidade frontal também garante a sincronização desses pulsos, bem como a energia e os parâmetros espaço-temporais necessários. Um OPCPA intermediário, operando a uma taxa de repetição mais alta (1 Hz), amplifica o pulso com chir para dezenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é amplificado posteriormente pelo Booster OPCPA em um único feixe de quilojoules e dividido em 12 subfeixes idênticos (4 na Figura 1). Nos 12 OPCPA finais, cada um dos 12 pulsos de luz com chir é amplificado ao nível de quilojoules (5 na Figura 1) e então comprimido por 12 grades de compressão (GC de 6 na Figura 1). O filtro de dispersão programável acústico-óptico é utilizado no front-end para controlar com precisão a dispersão da velocidade de grupo e a dispersão de alta ordem, de modo a obter a menor largura de pulso possível. O espectro de pulso tem um formato de supergauss de ordem próxima à 12ª, e a largura de banda espectral a 1% do valor máximo é de 150 nm, correspondendo à largura de pulso limite da transformada de Fourier de 17 fs. Considerando a compensação de dispersão incompleta e a dificuldade da compensação de fase não linear em amplificadores paramétricos, a largura de pulso esperada é de 20 fs.
O laser XCELS empregará dois módulos de duplicação de frequência de laser de neodímio UFL-2M de 8 canais (3 na Figura 1), dos quais 13 canais serão usados para bombear o Booster OPCPA e 12 OPCPA finais. Os três canais restantes serão usados como pulsos independentes de quilojoules em nanossegundos.fontes de laserpara outros experimentos. Limitado pelo limiar de ruptura óptica dos cristais DKDP, a intensidade de irradiação do pulso bombeado é definida como 1,5 GW/cm² para cada canal e a duração é de 3,5 ns.
Cada canal do laser XCELS produz pulsos com potência de 50 PW. Um total de 12 canais fornece uma potência de saída total de 600 PW. Na câmara alvo principal, a intensidade máxima de foco de cada canal em condições ideais é de 0,44 × 1025 W/cm², assumindo que elementos de foco de F/1 sejam utilizados para o foco. Se o pulso de cada canal for comprimido para 2,6 fs pela técnica de pós-compressão, a potência de pulso de saída correspondente será aumentada para 230 PW, correspondendo à intensidade luminosa de 2,0 × 1025 W/cm².
Para atingir maior intensidade de luz, com uma saída de 600 PW, os pulsos de luz nos 12 canais serão focados na geometria da radiação dipolo inversa, conforme mostrado na Figura 2. Quando a fase do pulso em cada canal não estiver bloqueada, a intensidade do foco pode atingir 9 × 1025 W/cm². Se cada fase do pulso for bloqueada e sincronizada, a intensidade da luz resultante coerente será aumentada para 3,2 × 1026 W/cm². Além da sala de destino principal, o projeto XCELS inclui até 10 laboratórios de usuários, cada um recebendo um ou mais feixes para experimentos. Usando esse campo de luz extremamente forte, o projeto XCELS planeja realizar experimentos em quatro categorias: processos de eletrodinâmica quântica em campos de laser intensos; produção e aceleração de partículas; geração de radiação eletromagnética secundária; astrofísica de laboratório, processos de alta densidade de energia e pesquisa diagnóstica.
FIG. 2 Geometria de foco na câmara alvo principal. Para maior clareza, o espelho parabólico do feixe 6 é definido como transparente, e os feixes de entrada e saída mostram apenas dois canais, 1 e 7.
A Figura 3 mostra o layout espacial de cada área funcional do sistema laser XCELS no edifício experimental. Eletricidade, bombas de vácuo, tratamento de água, purificação e ar condicionado estão localizados no subsolo. A área total de construção é superior a 24.000 m². O consumo total de energia é de cerca de 7,5 MW. O edifício experimental consiste em uma estrutura interna oca geral e uma seção externa, cada uma construída sobre duas fundações desacopladas. Os sistemas de vácuo e outros indutores de vibração são instalados na fundação isolada de vibração, de modo que a amplitude da perturbação transmitida ao sistema laser através da fundação e do suporte seja reduzida para menos de 10-10 g²/Hz na faixa de frequência de 1-200 Hz. Além disso, uma rede de marcadores de referência geodésicos é instalada no salão do laser para monitorar sistematicamente a deriva do solo e do equipamento.
O projeto XCELS visa criar uma grande instalação de pesquisa científica baseada em lasers de altíssima potência de pico. Um canal do sistema laser XCELS pode fornecer uma intensidade de luz focada várias vezes superior a 1024 W/cm², que pode ser excedida em 1025 W/cm² com a tecnologia de pós-compressão. Ao focalizar pulsos dipolo de 12 canais no sistema laser, uma intensidade próxima a 1026 W/cm² pode ser alcançada mesmo sem pós-compressão e travamento de fase. Se a sincronização de fase entre os canais for travada, a intensidade da luz será várias vezes maior. Usando essas intensidades de pulso recordes e o layout do feixe multicanal, a futura instalação XCELS será capaz de realizar experimentos com intensidade extremamente alta, distribuições complexas de campo de luz e diagnosticar interações usando feixes laser multicanal e radiação secundária. Isso desempenhará um papel único no campo da física experimental de campos eletromagnéticos superfortes.
Horário da publicação: 26/03/2024