Recientemente, el Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias 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 chirriados paramétricos ópticos en cristales de fosfato de dideuterio y potasio (DKDP, fórmula química KD2PO4) de gran apertura, con una potencia de salida total prevista de 600 PW. Este trabajo proporciona detalles importantes y resultados de investigación sobre el proyecto XCELS y sus sistemas láser, describiendo aplicaciones e impactos potenciales relacionados con interacciones de campos de luz ultra intensos.
El programa XCELS se propuso en 2011 con el objetivo inicial de alcanzar una potencia máxima.láserSalida de pulsos de 200 PW, que actualmente se ha actualizado a 600 PW.sistema láserSe basa en tres tecnologías clave:
(1) Se utiliza la tecnología de amplificación de pulso chirriado paramétrica óptica (OPCPA) en lugar de la tecnología tradicional de amplificación de pulso chirriado (amplificación de pulso chirriado, OPCPA).
(2) Utilizando DKDP como medio de ganancia, se logra una coincidencia de fase de banda ultraancha 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 adaptación de fase de banda ultraancha se encuentra ampliamente en muchos cristales y se utiliza en láseres de femtosegundos OPCPA. Se utilizan cristales DKDP porque son el único material que se encuentra en la práctica que se puede cultivar con aperturas de decenas de centímetros y, al mismo tiempo, tener cualidades ópticas aceptables para soportar la amplificación de potencia de varios PW.láseresSe ha descubierto 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 del desarrollo de Taylor del desajuste del vector de onda son 0.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema láser XCELS. El sistema frontal generó pulsos de femtosegundos modulados en frecuencia con una longitud de onda central de 910 nm (1,3 en la Figura 1) y pulsos de nanosegundos de 1054 nm, que se inyectaron en el láser bombeado por OPCPA (1,1 y 1,2 en la Figura 1). El sistema frontal también garantiza la sincronización de estos pulsos, así como la energía y los parámetros espaciotemporales requeridos. Un OPCPA intermedio, que opera a una frecuencia de repetición más alta (1 Hz), amplifica el pulso modulado en frecuencia hasta decenas de julios (2 en la Figura 1). El pulso se amplifica aún más mediante el OPCPA Booster hasta formar 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 modulados en frecuencia se amplifica hasta el 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 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 ancho de pulso mínimo posible. El espectro del pulso tiene una forma cercana a la de un supergauss de duodécimo 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. 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 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 Booster OPCPA y 12 el 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 principal del objetivo, la intensidad de enfoque máxima de cada canal en condiciones ideales es de 0,44 × 10²⁵ 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 una 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 × 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 dipolar inversa, como se muestra en la Figura 2. Cuando la fase del pulso en cada canal no está bloqueada, la intensidad de enfoque puede alcanzar 9 × 10²⁵ W/cm². Si la fase de cada pulso está bloqueada y sincronizada, la intensidad de luz resultante coherente aumentará a 3,2 × 10²⁶ W/cm². Además de la sala principal de objetivos, 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 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 del objetivo. Para mayor claridad, el espejo parabólico del haz 6 se ha configurado como 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 y la purificación del agua, y el aire acondicionado se ubican en el sótano. El área 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 cimientos desacoplados. El sistema de vacío y otros sistemas que inducen vibraciones se instalan sobre el cimiento con aislamiento de vibraciones, de modo que la amplitud de la perturbación transmitida al sistema láser a través del cimiento y el soporte se reduce a menos de 10⁻¹⁰ g²/Hz en el rango de frecuencia de 1 a 200 Hz. Además, se ha establecido una red de marcadores de referencia geodésicos en la sala del láser para monitorear 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 focalizada varias veces superior a 10²⁴ W/cm², que puede superarse aún más en 10²⁵ W/cm² con tecnología de postcompresión. Mediante el enfoque dipolar de pulsos de 12 canales en el 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. Utilizando estas intensidades de pulso récord y la configuración de haz multicanal, la futura instalación XCELS podrá realizar experimentos con distribuciones de campo de luz complejas y de intensidad extremadamente alta, y diagnosticar interacciones utilizando haces láser multicanal y radiación secundaria. Esto desempeñará un papel único en el campo de la física experimental de campos electromagnéticos superintensos.
Fecha de publicación: 26 de marzo de 2024