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 dispositivos científicos de gran tamaño basado enláseres de alta potenciaEl proyecto incluye la construcción de un muyláser de alta potenciaBasado en la tecnología de amplificación óptica paramétrica de pulsos chirpeados en cristales de fosfato de dideuterio y potasio de gran apertura (DKDP, fórmula química KD₂PO₄), con una salida total esperada de pulsos de potencia pico de 600 PW. Este trabajo proporciona importantes detalles y hallazgos de investigación sobre el proyecto XCELS y sus sistemas láser, describiendo aplicaciones e impactos potenciales relacionados con las interacciones de campos de luz ultraintensos.
El programa XCELS se propuso en 2011 con el objetivo inicial de lograr una potencia máximaláserSalida de pulsos de 200 PW, que actualmente se ha actualizado a 600 PW. Susistema láserse basa en tres tecnologías clave:
(1) Se utiliza la tecnología de amplificación de pulsos chirriantes paramétricos ópticos (OPCPA) en lugar de la tecnología tradicional de amplificación de pulsos chirriantes (OPCPA).
(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 se encuentra ampliamente en numerosos cristales y se utiliza en láseres de femtosegundos OPCPA. Los cristales DKDP se emplean porque son el único material disponible en la práctica que puede crecer hasta decenas de centímetros de apertura y, al mismo tiempo, posee cualidades ópticas aceptables para la amplificación de potencia multi-PW.láseresSe encontró 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 primeros tres términos de la expansión de Taylor del desajuste del vector de onda son 0.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema láser XCELS. El frente genera 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 frente también asegura la sincronización de estos 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 una potencia de decenas de julios (2 en la Figura 1). El OPCPA Booster amplifica el pulso en un único haz de kilojulios y lo divide en 12 subhaces idénticos (4 en la Figura 1). En los 12 OPCPA finales, cada uno de los 12 pulsos de luz chirpeado 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 etapa inicial para controlar con precisión la dispersión de velocidad de grupo y la dispersión de alto orden, con el fin de obtener el ancho de pulso más pequeño posible. El espectro del pulso tiene una forma cercana a un supergauss de 12.º orden, y el ancho de banda espectral al 1 % del valor máximo es de 150 nm, lo que corresponde 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 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 se utilizarán para bombear el OPCPA de refuerzo y 12 para el OPCPA final. Los tres canales restantes se utilizarán como pulsos independientes de nanosegundos y kilojulios.fuentes láserPara otros experimentos. Limitada por el umbral de ruptura óptica de los cristales de DKDP, la intensidad de irradiación del pulso bombeado se establece en 1,5 GW/cm² para cada canal y su 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 principal, la intensidad máxima de enfoque de cada canal en condiciones ideales es de 0,44 × 10⁻² W/cm², suponiendo que se utilizan elementos de enfoque F/1. Si el pulso de cada canal se comprime aún más a 2,6 fs mediante la técnica de postcompresión, la potencia del pulso de salida correspondiente aumentará a 230 PW, lo que corresponde a una intensidad de luz de 2,0 × 10⁻² W/cm².
Para lograr una mayor intensidad de luz, a una salida de 600 PW, los pulsos de luz en los 12 canales se enfocarán en la geometría de la radiación dipolar inversa, como se muestra en la Figura 2. Cuando la fase del pulso en cada canal no está bloqueada, la intensidad del enfoque puede alcanzar 9 × 10 ^{25} W/cm². Si cada fase de pulso está bloqueada y sincronizada, la intensidad de luz resultante coherente aumentará a 3,2 × 10 ^{26} W/cm². Además de la sala objetivo principal, el proyecto XCELS incluye hasta 10 laboratorios de usuarios, cada uno de los cuales recibe uno o más haces para experimentos. Usando este campo de luz extremadamente fuerte, 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 de energía e investigación de diagnóstico.
FIG. 2 Geometría de enfoque en la cámara 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. La electricidad, las bombas de vacío, el tratamiento de agua, la purificación y el aire acondicionado se ubican en el sótano. La superficie total de construcción supera los 24.000 m². El consumo total de energía es de aproximadamente 7,5 MW. El edificio experimental consta de una estructura interna hueca y una sección externa, cada una construida sobre dos cimentaciones desacopladas. El vacío y otros sistemas inductores de vibraciones están instalados sobre la cimentación aislada, de modo que la amplitud de la perturbación transmitida al sistema láser a través de la cimentación y el soporte se reduce a menos de 10-10 g²/Hz en el rango de frecuencia de 1-200 Hz. Además, se ha instalado una red de marcadores geodésicos de referencia en la sala láser para monitorizar sistemáticamente la deriva del terreno y del equipo.
El proyecto XCELS busca 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 10⁻² (W/cm²), que puede superarse en 10⁻² (W/cm²) con tecnología de postcompresión. Mediante pulsos de enfoque dipolar de 12 canales del sistema láser, se puede alcanzar una intensidad cercana a 10⁻² (W/cm²) incluso sin postcompresión ni bloqueo de fase. Si se bloquea la sincronización de fase entre canales, la intensidad de la luz será varias veces superior. Gracias a estas intensidades de pulso récord y al diseño del haz multicanal, la futura instalación XCELS podrá realizar experimentos con distribuciones complejas de campos de luz de intensidad extremadamente alta, así como diagnosticar interacciones mediante haces láser multicanal y radiación secundaria. Esto desempeñará un papel fundamental en el campo de la física experimental de campos electromagnéticos de alta intensidad.
Hora de publicación: 26 de marzo de 2024