Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências apresentou o Centro eXawatt para o Estudo da Luz Extrema (XCELS), um programa de pesquisa para grandes dispositivos científicos baseados em luz extremamente intensa.lasers de alta potênciaO projeto inclui a construção de umlaser de alta potênciaEste trabalho apresenta detalhes importantes e resultados de pesquisa sobre o projeto XCELS e seus sistemas a laser, descrevendo aplicações e impactos potenciais relacionados a interações de campos de luz ultra-intensos. O estudo baseia-se na tecnologia de amplificação paramétrica óptica de pulsos chirpados em cristais de fosfato de dideutério de potássio (DKDP, fórmula química KD2PO4) de grande abertura, com uma potência de pico esperada de 600 PW.
O programa XLECLS foi proposto em 2011 com o objetivo inicial de atingir uma potência máxima.laserSaída de pulso de 200 PW, que está sendo atualizada para 600 PW.sistema laserdepende de três tecnologias principais:
(1) A tecnologia de amplificação de pulso chirpado paramétrico óptico (OPCPA) é usada em vez da tecnologia de amplificação de pulso chirpado tradicional (amplificação de pulso chirpado, OPCPA). CPA);
(2) Usando DKDP como meio de ganho, o casamento de fase de banda ultralarga é realizado próximo ao comprimento de onda de 910 nm;
(3) Um laser de vidro de neodímio de grande abertura com energia de pulso de milhares de joules é usado para bombear um amplificador paramétrico.
A correspondência de fase de banda ultralarga é amplamente encontrada em muitos cristais e é usada em lasers de femtosegundo OPCPA. Os cristais de DKDP são usados porque são o único material encontrado na prática que pode ser cultivado com dezenas de centímetros de abertura e, ao mesmo tempo, apresentar qualidades ópticas aceitáveis para suportar a amplificação de potência multi-PW.lasersConstatou-se que, quando o cristal DKDP é bombeado pela luz de frequência dupla do laser de vidro ND, se o comprimento de onda da portadora do pulso amplificado for de 910 nm, os três primeiros termos da expansão de Taylor do desajuste do vetor de onda são 0.
A Figura 1 apresenta um esquema do sistema laser XCELS. A etapa inicial gera pulsos de femtosegundos com chirp e comprimento de onda central de 910 nm (1.3 na Figura 1), e pulsos de nanossegundos de 1054 nm são injetados no laser bombeado pelo OPCPA (1.1 e 1.2 na Figura 1). A etapa inicial 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 chirp para dezenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é então amplificado pelo OPCPA Booster, transformando-se em um feixe único de quilojoules, que é dividido em 12 subfeixes idênticos (4 na Figura 1). No OPCPA final, cada um dos 12 pulsos de luz com chirp é amplificado para o nível de quilojoules (5 na Figura 1) e, em seguida, comprimido por 12 grades de compressão (GC de 6 na Figura 1). O filtro de dispersão programável acusto-óptico é utilizado na entrada 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 do pulso apresenta uma forma próxima à de um supergauss de 12ª ordem, 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 incompleta da dispersão e a dificuldade da compensação de fase não linear em amplificadores paramétricos, a largura de pulso esperada é de 20 fs.
O laser XCELS utilizará dois módulos de duplicação de frequência de laser de neodímio-vidro UFL-2M de 8 canais (3 na Figura 1), dos quais 13 canais serão usados para bombear o Booster OPCPA e 12 para o OPCPA final. Os três canais restantes serão usados como pulsos independentes de nanossegundos e quilojoules.fontes de laserpara outros experimentos. Limitada pelo limiar de ruptura óptica dos cristais DKDP, a intensidade de irradiação do pulso bombeado é definida em 1,5 GW/cm² para cada canal e a duração é de 3,5 ns.
Cada canal do laser XCELS produz pulsos com uma potência de 50 PW. Um total de 12 canais fornece uma potência de saída total de 600 PW. Na câmara de alvo principal, a intensidade máxima de focalização de cada canal em condições ideais é de 0,44×10²⁵ W/cm², assumindo que elementos de focalização F/1 sejam usados para focalização. Se o pulso de cada canal for ainda mais comprimido para 2,6 fs por meio de uma técnica de pós-compressão, a potência do pulso de saída correspondente aumentará para 230 PW, o que corresponde a uma intensidade de luz de 2,0×10²⁵ W/cm².
Para alcançar maior intensidade luminosa, com uma potência de saída de 600 PW, os pulsos de luz nos 12 canais serão focalizados na geometria de radiação de dipolo inverso, conforme mostrado na Figura 2. Quando a fase do pulso em cada canal não estiver sincronizada, a intensidade focalizada pode atingir 9×10²⁵ W/cm². Se a fase de cada pulso estiver sincronizada, a intensidade luminosa resultante coerente aumentará para 3,2×10²⁶ W/cm². Além da sala principal de experimentos, o projeto XCELS inclui até 10 laboratórios de usuários, cada um recebendo um ou mais feixes para experimentos. Utilizando este campo de luz extremamente intenso, 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 laboratorial, processos de alta densidade de energia e pesquisa diagnóstica.
FIG. 2 Geometria de focalização na câmara alvo principal. Para maior clareza, o espelho parabólico do feixe 6 está configurado como transparente, e os feixes de entrada e saída mostram apenas os canais 1 e 7.
A Figura 3 mostra o layout espacial de cada área funcional do sistema laser XCELS no edifício experimental. A eletricidade, as bombas de vácuo, o tratamento e purificação de água e o ar condicionado estão localizados no subsolo. A área total construída é superior a 24.000 m². O consumo total de energia é de aproximadamente 7,5 MW. O edifício experimental consiste em uma estrutura interna oca e uma seção externa, cada uma construída sobre duas fundações desacopladas. O sistema de vácuo e outros sistemas que induzem vibração são instalados sobre a fundação com isolamento 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 a 200 Hz. Além disso, uma rede de marcadores geodésicos de referência foi instalada no salão do laser para monitorar sistematicamente a deriva do solo e dos equipamentos.
O projeto XCELS visa criar uma grande instalação de pesquisa científica baseada em lasers de potência de pico extremamente alta. Um canal do sistema laser XCELS pode fornecer uma intensidade de luz focalizada várias vezes superior a 10²⁴ W/cm², que pode ser ainda mais superada em 10²⁵ W/cm² com a tecnologia de pós-compressão. Através do foco dipolar de pulsos de 12 canais no sistema laser, uma intensidade próxima a 10²⁶ W/cm² pode ser alcançada mesmo sem pós-compressão e sincronização de fase. Se a sincronização de fase entre os canais for realizada, a intensidade da luz será várias vezes maior. Utilizando essas intensidades de pulso recordes e o arranjo de feixes multicanal, a futura instalação XCELS será capaz de realizar experimentos com intensidade extremamente alta, distribuições de campo de luz complexas e diagnosticar interações usando feixes laser multicanal e radiação secundária. Isso desempenhará um papel único no campo da física experimental de campos eletromagnéticos superintensos.
Data da publicação: 26/03/2024