Recientemente, el Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia presentó el Centro eXawatt para Estudios de Luz Extrema (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos basado en rayos extremadamenteláseres de alta potencia. El proyecto incluye la construcción de una muyláser de alta potenciabasado en tecnología óptica paramétrica de amplificación de pulso chirriado en cristales de fosfato de dideuterio potásico de gran apertura (DKDP, fórmula química KD2PO4), con una producción total esperada de pulsos de potencia máxima de 600 PW. Este trabajo proporciona importantes detalles y resultados de investigación sobre el proyecto XCELS y sus sistemas láser, describiendo aplicaciones y posibles impactos relacionados con interacciones de campos de luz ultrafuertes.
El programa XCELS se propuso en 2011 con el objetivo inicial de alcanzar una potencia máximaláserSalida de pulsos de 200 PW, que actualmente está actualizada a 600 PW. Essistema láserSe basa en tres tecnologías clave:
(1) Se utiliza la tecnología de amplificación de pulso chirped paramétrica óptica (OPCPA) en lugar de la amplificación de pulso chirped tradicional (amplificación de pulso chirped, OPCPA). CPA) tecnología;
(2) Utilizando DKDP como medio de ganancia, la adaptación de fase de banda ultraancha se realiza cerca de la longitud de onda de 910 nm;
(3) Se utiliza un láser de vidrio de neodimio de gran apertura con una energía de pulso de miles de julios para bombear un amplificador paramétrico.
La coincidencia de fase de banda ultraancha se encuentra ampliamente en muchos cristales y se utiliza en láseres de femtosegundo OPCPA. Los cristales DKDP se utilizan porque son el único material encontrado en la práctica que puede crecer hasta decenas de centímetros de apertura y al mismo tiempo tener cualidades ópticas aceptables para soportar la amplificación de potencia multi-PW.láseres. Se encuentra que cuando el cristal DKDP es bombeado por la luz de doble frecuencia del láser de vidrio ND, si la longitud de onda portadora del pulso amplificado es 910 nm, los primeros tres términos de la expansión de Taylor del desajuste del vector de onda son 0.
La Figura 1 es un diseño esquemático del sistema láser XCELS. El extremo frontal generó pulsos de femtosegundos con una longitud de onda central de 910 nm (1,3 en la Figura 1) y pulsos de nanosegundos de 1054 nm inyectados en el láser bombeado OPCPA (1,1 y 1,2 en la Figura 1). El front-end también garantiza la sincronización de estos pulsos, así como la energía requerida y los parámetros espaciotemporales. Un OPCPA intermedio que funciona a una tasa de repetición más alta (1 Hz) amplifica el pulso chirriado a decenas de julios (2 en la Figura 1). El impulso se amplifica aún más mediante el Booster OPCPA en un solo haz de kilojulios y se divide en 12 subhaces idénticos (4 en la Figura 1). En los 12 OPCPA finales, cada uno de los 12 pulsos de luz chirriados se amplifica al nivel de kilojulios (5 en la Figura 1) y luego se comprime mediante 12 rejillas de compresión (GC de 6 en la Figura 1). El filtro de dispersión programable acústico-óptico se utiliza en la parte frontal para controlar con precisión la dispersión de velocidad del grupo y la dispersión de alto orden, a fin de obtener el ancho de pulso más pequeño posible. El espectro del pulso tiene una forma de casi supergauss de orden 12, y el ancho de banda espectral al 1% del valor máximo es de 150 nm, correspondiente al ancho de pulso límite de la transformada de Fourier de 17 fs. Considerando la compensación de dispersión incompleta y la dificultad de la compensación de fase no lineal en amplificadores paramétricos, el ancho de pulso esperado es 20 fs.
El láser XCELS empleará dos módulos de duplicación de frecuencia de láser de vidrio de neodimio UFL-2M de 8 canales (3 en la Figura 1), de los cuales 13 canales se utilizarán para bombear el OPCPA de refuerzo y 12 OPCPA final. Los tres canales restantes se utilizarán como pulsos de kilojulios de nanosegundos independientes.fuentes láserpara otros experimentos. Limitada por el umbral de ruptura óptica de los cristales DKDP, la intensidad de irradiación del pulso bombeado se establece en 1,5 GW/cm2 para cada canal y la duración es de 3,5 ns.
Cada canal del láser XCELS produce pulsos con una potencia de 50 PW. Un total de 12 canales proporcionan una potencia de salida total de 600 PW. En la cámara objetivo principal, la intensidad máxima de enfoque de cada canal en condiciones ideales es 0,44×1025 W/cm2, suponiendo que se utilicen elementos de enfoque F/1 para enfocar. Si el pulso de cada canal se comprime aún más a 2,6 fs mediante la técnica de poscompresión, la potencia del pulso de salida correspondiente aumentará a 230 PW, correspondiente a la intensidad de la luz de 2,0 × 1025 W/cm2.
Para lograr una mayor intensidad de luz, con una salida de 600 PW, los pulsos de luz en los 12 canales se enfocarán en la geometría de radiación dipolo inversa, como se muestra en la Figura 2. Cuando la fase de pulso en cada canal no está bloqueada, la intensidad del enfoque puede alcanza los 9×1025 W/cm2. Si cada fase de pulso está bloqueada y sincronizada, la intensidad de la luz resultante coherente aumentará a 3,2 × 1026 W/cm2. Además de la sala de destino principal, el proyecto XCELS incluye hasta 10 laboratorios de usuarios, cada uno de los cuales recibe uno o más haces para experimentos. Utilizando este campo de luz extremadamente intenso, el proyecto XCELS planea llevar a cabo experimentos en cuatro categorías: procesos de electrodinámica cuántica en campos láser intensos; La producción y aceleración de partículas; La generación de radiación electromagnética secundaria; Astrofísica de laboratorio, procesos de alta densidad energética e investigación diagnóstica.
HIGO. 2 Geometría de enfoque en la cámara objetivo principal. Para mayor claridad, el espejo parabólico del haz 6 está configurado en transparente y los haces de entrada y salida muestran solo dos canales 1 y 7.
La Figura 3 muestra la distribución espacial de cada área funcional del sistema láser XCELS en el edificio experimental. En el sótano se encuentran la electricidad, bombas de vacío, tratamiento de agua, depuración y aire acondicionado. La superficie total de construcción es de más de 24.000 m2. El consumo total de energía es de unos 7,5 MW. El edificio experimental consta de una estructura general hueca interior y una sección exterior, cada una construida sobre dos cimientos desacoplados. El vacío y otros sistemas inductores de vibración se instalan sobre la base aislada de vibraciones, de modo que la amplitud de la perturbación transmitida al sistema láser a través de la base y el soporte se reduce a menos de 10-10 g2/Hz en el rango de frecuencia de 1-200 Hz. Además, en la sala de láser se ha instalado una red de marcadores geodésicos de referencia para controlar sistemáticamente la deriva del terreno y de los equipos.
El proyecto XCELS tiene como objetivo crear una gran instalación de investigación científica basada en láseres de potencia máxima extremadamente alta. Un canal del sistema láser XCELS puede proporcionar una intensidad de luz enfocada varias veces superior a 1024 W/cm2, que puede superarse en 1025 W/cm2 con tecnología de poscompresión. Mediante pulsos de enfoque dipolo de 12 canales en el sistema láser, se puede lograr una intensidad cercana a 1026 W/cm2 incluso sin poscompresión ni bloqueo de fase. Si la sincronización de fase entre canales está bloqueada, la intensidad de la luz será varias veces mayor. Utilizando estas intensidades de pulso récord y el diseño del haz multicanal, la futura instalación XCELS podrá realizar experimentos con distribuciones de campos de luz complejas y de intensidad extremadamente alta y diagnosticar interacciones utilizando rayos láser multicanal y radiación secundaria. Esto desempeñará un papel único en el campo de la física experimental de campos electromagnéticos superfuertes.
Hora de publicación: 26 de marzo de 2024