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 em extremamenteLasers de alta potência. O projeto inclui a construção de um muitolaser de alta potênciaBaseado na tecnologia de amplificação de pulso paramétrico óptico paramétrico em cristais de grande fosfato de dideutério de potássio de abertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), com uma saída total esperada de 600 pulsos de potência de pico de PW. Este trabalho fornece detalhes importantes e descobertas de pesquisa sobre o projeto XCELs e seus sistemas a laser, descrevendo aplicativos e possíveis impactos relacionados a interações de campo leve ultra-forte.
O programa XCELS foi proposto em 2011 com o objetivo inicial de alcançar um poder de picolaserSaída de pulso de 200 PW, atualmente atualizada para 600 PW. Isso ésistema a laserconta com três tecnologias principais:
(1) A tecnologia óptica de amplificação de pulso Chired Paramétrico (OPCPA) é usada em vez da amplificação tradicional de pulso chirped (amplificação por pulso chirped, OPCPA). CPA) tecnologia;
(2) Usando o DKDP como meio de ganho, a correspondência de fase de banda ultra larga é realizada perto de 910 nm de comprimento de onda;
(3) Um grande laser de vidro de neodímio de abertura com uma energia de pulso de milhares de joules é usado para bombear um amplificador paramétrico.
A correspondência de fase de banda ultra larga é amplamente encontrada em muitos cristais e é usada em lasers de femtossegundos de OPCPA. Os cristais DKDP são usados porque são o único material encontrado na prática que pode ser cultivado para dezenas de centímetros de abertura e, ao mesmo tempolasers. Verificou -se que quando o cristal DKDP é bombeado pela luz de dupla frequência do laser de vidro ND, se o comprimento de onda do portador 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 a laser xcels. A extremidade frontal gerou pulsos de femtossegundos Chired 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 da OPCPA (1,1 e 1,2 na Figura 1). O front -end também garante a sincronização desses pulsos, bem como os parâmetros de energia e espaço -temporal necessários. Uma OPCPA intermediária operando a uma taxa de repetição mais alta (1 Hz) amplifica o pulso chirped para dezenas de joules (2 na Figura 1). O pulso é amplificado ainda mais pelo OPCPA de reforço em um único feixe de quilojoule e dividido em 12 sub-feixes idênticos (4 na Figura 1). No 12 OPCPA final, cada um dos 12 pulsos de luz Chirped é amplificado para o nível de quilojoule (5 na Figura 1) e depois comprimido por 12 grades de compressão (GC de 6 na Figura 1). O filtro de dispersão programável acouroptica é usado no front-end 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 quase 12ª ordem Supergauss, e a largura de banda espectral em 1% do valor máximo é de 150 nm, correspondendo à largura do pulso limite da transformação de Fourier de 17 fs. Considerando a compensação incompleta de dispersão e a dificuldade da compensação de fase não linear nos amplificadores paramétricos, a largura esperada do pulso é de 20 fs.
O laser Xcels empregará dois módulos de duplicação de frequência de vidro de vidro de neodímio de 8 canais (3 na Figura 1), dos quais 13 canais serão usados para bombear o OPCPA de reforço e 12 OPCPA final. Os três canais restantes serão usados como nanossegundos independentes quilojoule pulsadosFontes a laserPara outros experimentos. Limitado pelo limiar de quebra óptica dos cristais DKDP, a intensidade de irradiação do pulso bombeada 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 uma potência de 50 PW. Um total de 12 canais fornece uma potência total de saída 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 os elementos f/1 de foco sejam usados para foco. Se o pulso de cada canal for mais compactado para 2,6 Fs pela técnica pós-compressão, a potência do pulso de saída correspondente será aumentada para 230 PW, correspondendo à intensidade da luz de 2,0 × 1025 W/cm2.
Para obter maior intensidade da luz, na saída de 600 PW, os pulsos de luz nos 12 canais serão focados na geometria da radiação dipolo inversa, como mostra a Figura 2. Quando a fase de pulso em cada canal não estiver 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 de destino principal, o projeto XCELs inclui até 10 laboratórios de usuários, cada um recebendo um ou mais vigas para experimentos. Usando esse campo de luz extremamente forte, o projeto XCELs planeja realizar experimentos em quatro categorias: processos de eletrodinâmica quântica em campos intensos a laser; A produção e aceleração de partículas; A geração de radiação eletromagnética secundária; Astrofísica laboratorial, processos de alta densidade de energia e pesquisa de diagnóstico.
FIGO. 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 a laser xcels no edifício experimental. Eletricidade, bombas de vácuo, tratamento de água, purificação e ar condicionado estão localizados no porão. 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 um quadro geral oco interno e em uma seção externa, cada uma construída em 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 a laser através da fundação e suporte é reduzida a menos de 10-10 G2/Hz na faixa de frequência de 1-200 Hz. Além disso, uma rede de marcadores de referência geodésica é configurada no salão a laser para monitorar sistematicamente o desvio do solo e do equipamento.
O projeto XCELS visa criar uma grande instalação de pesquisa científica baseada em lasers de potência de pico extremamente altos. Um canal do sistema a laser XCELs pode fornecer uma intensidade de luz focada várias vezes superior a 1024 W/cm2, que pode ser excedida ainda mais por 1025 W/cm2 com a tecnologia pós-compressão. Por pulsos de foco dipolo de 12 canais no sistema a 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 os canais for bloqueada, a intensidade da luz será várias vezes maior. Usando essas intensidades de pulso de quebra recorde e o layout de feixe de vários canais, a futura instalação XCELs poderá realizar experimentos com distribuições de campo de luz complexas e de alta intensidade e diagnosticar interações usando feixes de laser multicanal e radiação secundária. Isso desempenhará um papel único no campo da física experimental de campo eletromagnético super forte.
Hora de postagem: mar-26-2024