Recientemente, el Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia introdujo el Centro Exawatt para Extreme Light Study (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos basado en extremadamenteláseres de alta potencia. El proyecto incluye la construcción de un muyláser de alta potenciaBasado en la tecnología de amplificación de pulso paramétrico óptico de pulso en gran apertura de potasio dideuterio fosfato (DKDP, fórmula química KD2PO4), con una salida total esperada de 600 PW PAY PULSES de potencia. Este trabajo proporciona detalles importantes y hallazgos de investigación sobre el proyecto XCels y sus sistemas láser, que describen aplicaciones e impactos potenciales relacionados con las interacciones de campo de luz ultra.
El programa XCels se propuso en 2011 con el objetivo inicial de lograr una potencia máximaláserSalida de pulso de 200 PW, que actualmente se actualiza a 600 PW. Essistema láserse basa en tres tecnologías clave:
(1) Se utiliza la tecnología de amplificación de pulso chirrido paramétrico óptico (OPCPA) en lugar de la amplificación tradicional de pulso chirpped (amplificación de pulso chirpped, OPCPA). CPA) tecnología;
(2) Usando DKDP como medio de ganancia, la coincidencia de fase de banda ultra ancha 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 ultra ancha se encuentra ampliamente en muchos cristales y se usa en láseres de femtosegundos OPCPA. Los cristales DKDP se usan porque son el único material que se encuentra en la práctica que se puede cultivar a decenas de centímetros de abertura y al mismo tiempo tienen cualidades ópticas aceptables para respaldar la amplificación de la potencia de múltiples PWláser. Se encuentra que cuando el cristal DKDP se bombea por la luz de doble frecuencia del láser de vidrio ND, si la longitud de onda del portador del pulso amplificado es de 910 nm, los primeros tres términos de la expansión de Taylor de la coincidencia del vector de onda son 0.
La Figura 1 es un diseño esquemático del sistema láser de xelas. El extremo frontal generó pulsos de femtosegundos chirados 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). La parte delantera también garantiza la sincronización de estos pulsos, así como los parámetros de energía y espacio -temporal requeridos. Un OPCPA intermedio que funciona a una velocidad de repetición más alta (1 Hz) amplifica el pulso chirrido a decenas de julios (2 en la Figura 1). El pulso se amplifica aún más por el Booster OPCPA en un solo haz de kiloJoule y se divide en 12 subigres idénticos (4 en la Figura 1). En los 12 OPCPA finales, cada uno de los 12 pulsos de luz chirpped se amplifica al nivel de kiloJoule (5 en la Figura 1) y luego se compresa por 12 rejillas de compresión (GC de 6 en la Figura 1). El filtro de dispersión programable acousto óptico se usa en el extremo frontal para controlar con precisión la dispersión de la velocidad del grupo y la dispersión de alto orden, para obtener el ancho de pulso más pequeño posible. El espectro de pulso tiene una forma de Supergauss de casi el 12 ° orden, y el ancho de banda espectral al 1% del valor máximo es de 150 nm, correspondiente al ancho del pulso del límite de transformación de Fourier de 17 FS. Teniendo en cuenta la compensación de dispersión incompleta y la dificultad de la compensación de fase no lineal en los amplificadores paramétricos, el ancho de pulso esperado es de 20 fs.
El láser Xcelels empleará dos módulos de duplicación de frecuencia de vaso de vidrio NEFL-2M de 8 canales (3 en la Figura 1), de los cuales 13 canales se utilizarán para bombear el refuerzo OPCPA y 12 OPCPA final. Los tres canales restantes se utilizarán como nanosegundos independientes kiloJoulle pulsadofuentes láserpara otros experimentos. Limitado por el umbral de descomposición 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 de xelas 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 de enfoque máxima de cada canal en condiciones ideales es 0.44 × 1025 W/cm2, suponiendo que los elementos de enfoque F/1 se utilizan para enfocar. Si el pulso de cada canal se comprime aún más a 2.6 fs mediante la técnica posterior a la compresión, la potencia de pulso de salida correspondiente se incrementará a 230 PW, correspondiente a la intensidad de luz de 2.0 × 1025 W/cm2.
Para lograr una mayor intensidad de la luz, con una salida de 600 PW, los pulsos de luz en los 12 canales se centrarán en la geometría de la radiación dipolo inversa, como se muestra en la Figura 2. Cuando la fase de pulso en cada canal no está bloqueada, la intensidad de enfoque puede alcanzar 9 × 1025 w/cm2. Si cada fase de pulso está bloqueada y sincronizada, la intensidad de luz resultante resultante se incrementará a 3.2 × 1026 W/cm2. Además de la sala objetivo principal, el proyecto XCELS incluye hasta 10 laboratorios de usuario, cada uno recibiendo uno o más vigas para experimentos. Utilizando este campo de luz extremadamente fuerte, el proyecto Xcelels 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 de energía e investigación de diagnóstico.
HIGO. 2 Geometría de enfoque en la cámara objetivo principal. Para mayor claridad, el espejo parabólico del haz 6 se establece en transparente, y los haces de entrada y salida muestran solo dos canales 1 y 7
La Figura 3 muestra el diseño espacial de cada área funcional del sistema láser de xelas en el edificio experimental. La electricidad, las bombas de vacío, el tratamiento de agua, la purificación y el aire acondicionado se encuentran en el sótano. El área de construcción total es de más de 24,000 m2. El consumo total de energía es de aproximadamente 7.5 MW. El edificio experimental consiste en un marco general hueco interno y una sección externa, cada una construida sobre dos bases desacopladas. El vacío y otros sistemas inductores de vibraciones se instalan en 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, se establece una red de marcadores de referencia geodésicos en la sala de láser para monitorear sistemáticamente la deriva del suelo y el equipo.
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 X CoLS puede proporcionar una intensidad de luz enfocada varias veces mayor que 1024 W/cm2, que puede exceder aún más en 1025 W/cm2 con tecnología posterior a la compresión. Mediante pulsos de enfoque dipolo de 12 canales en el sistema láser, se puede lograr una intensidad cercana a 1026 W/cm2 incluso sin la compresión posterior y el bloqueo de fase. Si la sincronización de fase entre los 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 de XCELS podrá realizar experimentos con distribuciones de campo de luz complejas y extremadamente alta y diagnosticar interacciones utilizando vigas láser multicanal y radiación secundaria. Esto jugará un papel único en el campo de la física experimental de campo electromagnético súper fuerte.
Tiempo de publicación: marzo-26-2024