Recientemente, el Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia presentó el Centro eXawatt para el Estudio de la Luz Extrema (XCELS), un programa de investigación para grandes dispositivos científicos basados en luz extremadamenteláseres de alta potenciaEl proyecto incluye la construcción de un muyláser de alta potenciaBasado en la tecnología de amplificación de pulsos chirpeados paramétricos ópticos en cristales de fosfato dideuteropotásico de gran apertura (DKDP, fórmula química KD₂PO₄), con una potencia de salida total esperada de 600 PW de pulsos de potencia pico. Este trabajo proporciona detalles importantes y resultados de investigación sobre el proyecto XCELS y sus sistemas láser, describiendo aplicaciones e impactos potenciales relacionados con las interacciones de campos de luz ultrarrápidos.
El programa XCELS se propuso en 2011 con el objetivo inicial de alcanzar una potencia máxima.láserSu salida de pulsos era de 200 PW, la cual actualmente se ha actualizado a 600 PW.sistema láserSe basa en tres tecnologías clave:
(1) Se utiliza la tecnología de amplificación de pulsos chirpeados paramétrica óptica (OPCPA) en lugar de la tecnología tradicional de amplificación de pulsos chirpeados (CPA);
(2) Utilizando DKDP como medio de ganancia, se logra una coincidencia de fase de banda ultra ancha cerca de una 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 adaptación de fase de banda ultraancha es común en muchos cristales y se utiliza en láseres de femtosegundo OPCPA. Los cristales DKDP se emplean porque son el único material disponible en la práctica que puede cultivarse con aperturas de decenas de centímetros y, al mismo tiempo, poseer cualidades ópticas aceptables para soportar la amplificación de potencia multi-PW.láseresSe ha comprobado 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 de 910 nm, los tres primeros términos de la expansión de Taylor del desajuste del vector de onda son 0.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema láser XCELS. La etapa de entrada genera pulsos de femtosegundos con chirrido, con una longitud de onda central de 910 nm (1.3 en la Figura 1), y pulsos de nanosegundos de 1054 nm, que se inyectan en el láser bombeado por OPCPA (1.1 y 1.2 en la Figura 1). Esta etapa también garantiza la sincronización de dichos pulsos, así como la energía y los parámetros espaciotemporales requeridos. Un OPCPA intermedio, que opera a una frecuencia de repetición mayor (1 Hz), amplifica el pulso con chirrido hasta decenas de julios (2 en la Figura 1). El pulso se amplifica aún más mediante el OPCPA Booster hasta obtener un único haz de kilojulios, que se divide en 12 subhaces idénticos (4 en la Figura 1). En el OPCPA final (12), cada uno de los 12 pulsos de luz con chirrido se amplifica hasta el nivel de kilojulios (5 en la Figura 1) y, posteriormente, se comprime mediante 12 rejillas de compresión (6 en la Figura 1). El filtro de dispersión programable acustoóptico se utiliza en la etapa de entrada para controlar con precisión la dispersión de velocidad de grupo y la dispersión de orden superior, con el fin de obtener el menor ancho de pulso posible. El espectro del pulso presenta una forma cercana a un supergauss de orden 12, y el ancho de banda espectral al 1 % del valor máximo es de 150 nm, lo que corresponde a un ancho de pulso límite de 17 fs en la transformada de Fourier. Considerando la compensación incompleta de la dispersión 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 XCELS empleará dos módulos de duplicación de frecuencia 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 Booster y 12 para el OPCPA final. Los tres canales restantes se utilizarán como pulsos independientes de kilojulios y nanosegundos.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 de blancos principal, la intensidad de enfoque máxima de cada canal en condiciones ideales es de 0,44 × 10²⁵ W/cm², suponiendo el uso de elementos de enfoque F/1. Si el pulso de cada canal se comprime aún más a 2,6 fs mediante una técnica de postcompresión, la potencia del pulso de salida correspondiente aumentará a 230 PW, lo que equivale a una intensidad luminosa de 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Para lograr una mayor intensidad lumínica, con una potencia de salida de 600 PW, los pulsos de luz en los 12 canales se enfocarán en la geometría de radiación dipolar inversa, como se muestra en la Figura 2. Cuando la fase del pulso en cada canal no está sincronizada, la intensidad del enfoque puede alcanzar 9 × 10²⁵ W/cm². Si la fase de cada pulso está sincronizada, la intensidad lumínica resultante coherente aumentará a 3,2 × 10²⁶ W/cm². Además de la sala principal de blancos, el proyecto XCELS incluye hasta 10 laboratorios de usuarios, cada uno de los cuales recibe uno o más haces para realizar 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; producción y aceleración de partículas; generación de radiación electromagnética secundaria; astrofísica de laboratorio, procesos de alta densidad de energía e investigación diagnóstica.
FIG. 2 Geometría de enfoque en la cámara principal del blanco. Para mayor claridad, el espejo parabólico del haz 6 se muestra transparente, y los haces de entrada y salida muestran únicamente los canales 1 y 7.
La figura 3 muestra la distribución espacial de cada área funcional del sistema láser XCELS en el edificio experimental. Las instalaciones de electricidad, bombas de vacío, tratamiento y purificación de agua, y aire acondicionado se ubican en el sótano. La superficie total construida supera los 24 000 m². El consumo energético total es de aproximadamente 7,5 MW. El edificio experimental consta de una estructura interna hueca y una sección externa, cada una construida sobre dos cimientos desacoplados. Los sistemas de vacío y otros sistemas que inducen vibraciones están instalados sobre los cimientos con aislamiento antivibratorio, de modo que la amplitud de la perturbación transmitida al sistema láser a través de los cimientos y soportes se reduce a menos de 10⁻¹⁰ g²/Hz en el rango de frecuencias de 1 a 200 Hz. Además, se ha instalado una red de marcadores geodésicos de referencia en la sala del láser para monitorizar sistemáticamente la deriva del terreno y del equipo.
El proyecto XCELS tiene como objetivo crear una gran instalación de investigación científica basada en láseres de potencia pico extremadamente alta. Un canal del sistema láser XCELS puede proporcionar una intensidad de luz enfocada varias veces superior a 10²⁴ W/cm², la cual puede superarse aún más, alcanzando los 10²⁵ W/cm² mediante tecnología de postcompresión. Al enfocar pulsos dipolares provenientes de 12 canales del sistema láser, se puede lograr una intensidad cercana a 10²⁶ W/cm² incluso sin postcompresión ni bloqueo de fase. Si se sincroniza la fase entre los canales, la intensidad de la luz será varias veces mayor. Gracias a estas intensidades de pulso sin precedentes y a la configuración de haces multicanal, la futura instalación XCELS podrá realizar experimentos con intensidades extremadamente altas, distribuciones de campo de luz complejas y diagnosticar interacciones utilizando haces láser multicanal y radiación secundaria. Esto desempeñará un papel fundamental en el campo de la física experimental de campos electromagnéticos superintensos.
Fecha de publicación: 26 de marzo de 2024