Recentemente, o Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências introduziu o eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), um programa de pesquisa para grandes dispositivos científicos baseados emlasers de alta potência. O projecto inclui a construção de um edifício muitolaser de alta potênciabaseado na tecnologia de amplificação de pulso chilreado paramétrico óptico em cristais de fosfato de dideutério de potássio de grande abertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), com uma produção total esperada de pulsos de potência de pico de 600 PW. Este trabalho fornece detalhes importantes e resultados de pesquisas sobre o projeto XCELS e seus sistemas laser, descrevendo aplicações e potenciais impactos relacionados a interações de campos de luz ultrafortes.
O programa XCELS foi proposto em 2011 com o objetivo inicial de atingir uma potência de picolasersaída de pulso de 200 PW, que atualmente foi atualizada para 600 PW. Isso ésistema laserdepende de três tecnologias principais:
(1) A tecnologia Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) é usada em vez da tradicional Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) tecnologia;
(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.
A correspondência de fase de banda ultralarga é amplamente encontrada em muitos cristais e é usada em lasers de femtossegundos OPCPA. Os cristais DKDP são usados porque são o único material encontrado na prática que pode crescer até dezenas de centímetros de abertura e, ao mesmo tempo, ter qualidades ópticas aceitáveis para suportar a amplificação de potência multi-PW.laser. Verifica-se que quando o cristal DKDP é bombeado pela luz de dupla frequência do laser de vidro ND, se o comprimento de onda da portadora do pulso amplificado for 910 nm, os três primeiros termos da expansão de Taylor da incompatibilidade do vetor de onda são 0.
A Figura 1 é um layout esquemático do sistema laser XCELS. O front-end gerou 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). O front-end também garante a sincronização desses pulsos, bem como a energia necessária e os parâmetros espaço-temporais. Um OPCPA intermediário operando a uma taxa de repetição mais alta (1 Hz) amplifica o pulso emitido para dezenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é ainda amplificado pelo Booster OPCPA em um único feixe de quilojoule e dividido em 12 subfeixes idênticos (4 na Figura 1). Nos 12 OPCPA finais, cada um dos 12 pulsos de luz emitidos é amplificado até o nível de quilojoule (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 usado na extremidade frontal para controlar com precisão a dispersão da velocidade do grupo e a dispersão de alta ordem, de modo a obter a menor largura de pulso possível. O espectro de pulso tem uma forma de supergauss de quase 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 de dispersão incompleta e a dificuldade de 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 vidro 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 quilojoule de nanossegundos.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 potência de 50 PW. Um total de 12 canais fornecem uma potência de saída total de 600 PW. Na câmara alvo principal, a intensidade máxima de focagem de cada canal em condições ideais é de 0,44×1025 W/cm2, assumindo que elementos de focagem F/1 são utilizados para focagem. Se o pulso de cada canal for ainda mais comprimido para 2,6 fs pela técnica de pós-compressão, a potência do pulso de saída correspondente será aumentada para 230 PW, correspondendo à intensidade de luz de 2,0×1025 W/cm2.
Para obter maior intensidade de luz, na 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 de pulso em cada canal não está bloqueada, a intensidade do foco pode atingir 9×1025 W/cm2. Se cada fase de pulso for bloqueada e sincronizada, a intensidade de luz resultante coerente será aumentada para 3,2×1026 W/cm2. Além da sala alvo principal, o projeto XCELS inclui até 10 laboratórios usuários, cada um recebendo um ou mais feixes para experimentos. Utilizando esse campo de luz extremamente forte, o projeto XCELS planeja realizar experimentos em quatro categorias: processos de eletrodinâmica quântica em campos intensos de laser; A produção e aceleração de partículas; A geração de radiação eletromagnética secundária; Astrofísica laboratorial, processos de alta densidade energética e pesquisa diagnóstica.
FIGO. 2 Geometria de focagem 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. Electricidade, bombas de vácuo, tratamento de água, purificação e ar condicionado estão localizados na cave. 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 e uma seção externa, cada uma construída sobre duas fundações desacopladas. O vácuo e outros sistemas 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 na sala de laser para monitorar sistematicamente a deriva do solo e dos equipamentos.
O projeto XCELS visa criar um grande centro de pesquisa científica baseado em lasers de potência de pico extremamente alta. Um canal do sistema laser XCELS pode fornecer uma intensidade de luz focada várias vezes superior a 1.024 W/cm2, que pode ser ainda excedida em 1.025 W/cm2 com tecnologia de pós-compressão. Através de pulsos de foco dipolo de 12 canais no sistema laser, uma intensidade próxima a 1026 W/cm2 pode ser alcançada mesmo sem pós-compressão e bloqueio de fase. Se a sincronização de fase entre canais estiver bloqueada, a intensidade da luz será várias vezes maior. Usando essas intensidades de pulso recordes e o layout do feixe multicanal, a futura instalação do XCELS será capaz de realizar experimentos com intensidade extremamente alta, distribuições complexas de campo de luz e diagnosticar interações usando feixes de laser multicanal e radiação secundária. Isto desempenhará um papel único no campo da física experimental de campos eletromagnéticos superfortes.
Horário da postagem: 26 de março de 2024