Нядаўна Інстытут прыкладной фізікі Расійскай акадэміі навук прадставіў eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), даследчую праграму для вялікіх навуковых прылад, заснаваных на надзвычайлазеры высокай магутнасці. Праект прадугледжвае будаўніцтва вельмілазер высокай магутнасцізаснавана на тэхналогіі ўзмацнення аптычных параметрычных чырпіраваных імпульсаў у крышталях калій-дыдэйтэрый-фасфату з вялікай апертурай (DKDP, хімічная формула KD2PO4) з чаканай агульнай магутнасцю 600 ПВт пікавай магутнасці імпульсаў. Гэтая праца дае важныя падрабязнасці і вынікі даследаванняў аб праекце XCELS і яго лазерных сістэмах, апісвае прымяненне і магчымыя наступствы, звязаныя з узаемадзеяннем звышмоцнага светлавога поля.
Праграма XCELS была прапанавана ў 2011 годзе з першапачатковай мэтай дасягнення пікавай магутнасцілазерімпульсны выхад 200 ПВт, які ў цяперашні час павышаны да 600 ПВт. Яголазерная сістэмаабапіраецца на тры асноўныя тэхналогіі:
(1) Тэхналогія аптычнага параметрічнага ўзмацнення чырпедаванага імпульсу (OPCPA) выкарыстоўваецца замест традыцыйнага ўзмацнення чырпедаванага імпульсу (узмацненне чырпедаванага імпульсу, OPCPA). CPA) тэхналогія;
(2) Выкарыстоўваючы DKDP у якасці асяроддзя ўзмацнення, звышшырокапалосны фазавы ўзгадненне рэалізуецца каля даўжыні хвалі 910 нм;
(3) Лазер з неадымавага шкла з вялікай апертурай і энергіяй імпульсу ў тысячы джоўляў выкарыстоўваецца для накачкі параметрычнага ўзмацняльніка.
Звышшырокапалоснае фазавае ўзгадненне шырока сустракаецца ў многіх крышталях і выкарыстоўваецца ў фемтасекундных лазерах OPCPA. Крышталі DKDP выкарыстоўваюцца таму, што яны з'яўляюцца адзіным знойдзеным на практыцы матэрыялам, які можна вырасціць да дзясяткаў сантыметраў дыяфрагмы і ў той жа час мець прымальныя аптычныя якасці для падтрымкі ўзмацнення магутнасці некалькіх PWлазеры. Выяўлена, што калі крышталь DKDP напампоўваецца святлом з падвойнай частатой лазера са шкла ND, калі даўжыня хвалі апорнай узмоцненага імпульсу роўная 910 нм, першыя тры члены раскладу Тэйлара неадпаведнасці хвалевых вектараў роўныя 0.
Малюнак 1 - схематычны макет лазернай сістэмы XCELS. Пярэдні канец генераваў чирпированные фемтасекундныя імпульсы з цэнтральнай даўжынёй хвалі 910 нм (1,3 на малюнку 1) і 1054 нм нанасекундныя імпульсы, уведзеныя ў лазер з накачкай OPCPA (1,1 і 1,2 на малюнку 1). Пярэдні канец таксама забяспечвае сінхранізацыю гэтых імпульсаў, а таксама неабходныя энергетычныя і прасторава-часавыя параметры. Прамежкавы OPCPA, які працуе з больш высокай частатой паўтарэння (1 Гц), узмацняе чырыкаваны імпульс да дзесяткаў джоўляў (2 на малюнку 1). Імпульс дадаткова ўзмацняецца Booster OPCPA ў адзін пучок кіладжоўляў і дзеліцца на 12 аднолькавых субпучкоў (4 на малюнку 1). У апошніх 12 OPCPA кожны з 12 чырпіраваных светлавых імпульсаў узмацняецца да ўзроўню кіладжоўляў (5 на малюнку 1), а затым сціскаецца 12 кратамі сціску (GC 6 на малюнку 1). Акустычна-аптычны праграмуемы дысперсійны фільтр выкарыстоўваецца ў пярэднім канцы для дакладнага кіравання дысперсіяй групавой хуткасці і дысперсіяй высокага парадку, каб атрымаць найменшую магчымую шырыню імпульсу. Спектр імпульсу мае форму супергаўса амаль 12-га парадку, а шырыня спектру пры 1% ад максімальнага значэння складае 150 нм, што адпавядае лімітавай працягласці імпульсу пераўтварэння Фур'е 17 фс. Улічваючы няпоўную кампенсацыю дысперсіі і складанасць нелінейнай кампенсацыі фазы ў параметрычных узмацняльніках, чаканая працягласць імпульсу складае 20 фс.
Лазер XCELS будзе выкарыстоўваць два 8-канальных модуля падваення частоты лазера з неадымавым шкляным шклом UFL-2M (3 на малюнку 1), з якіх 13 каналаў будуць выкарыстоўвацца для накачкі Booster OPCPA і 12 канчатковых OPCPA. Астатнія тры канала будуць выкарыстоўвацца як незалежныя нанасекундныя кіладжоульныя імпульсылазерныя крыніцыдля іншых эксперыментаў. Абмежаваная парогам аптычнага прабоя крышталяў DKDP, інтэнсіўнасць апраменьвання імпульсу накачкі ўстаноўлена роўнай 1,5 ГВт/см2 для кожнага канала, а працягласць - 3,5 нс.
Кожны канал лазера XCELS выпрацоўвае імпульсы магутнасцю 50 ПВт. Усяго 12 каналаў забяспечваюць агульную выходную магутнасць 600 ПВт. У галоўнай камеры мішэні максімальная інтэнсіўнасць факусіроўкі кожнага канала ў ідэальных умовах складае 0,44×1025 Вт/см2, пры ўмове, што для факусіроўкі выкарыстоўваюцца факусуючыя элементы F/1. Калі імпульс кожнага канала дадаткова сціскаецца да 2,6 фс метадам пост-сціску, адпаведная выхадная магутнасць імпульсу будзе павялічана да 230 ПВт, што адпавядае інтэнсіўнасці святла 2,0×1025 Вт/см2.
Для дасягнення большай інтэнсіўнасці святла пры выхаднай магутнасці 600 ПВт светлавыя імпульсы ў 12 каналах будуць сфакусіраваны ў геаметрыі зваротнага дыпольнага выпраменьвання, як паказана на малюнку 2. Калі фаза імпульсу ў кожным канале не зафіксавана, інтэнсіўнасць фокуса можа дасягаюць 9×1025 Вт/см2. Калі кожная фаза імпульсу зафіксавана і сінхранізавана, інтэнсіўнасць кагерэнтнага выніковага святла будзе павялічана да 3,2×1026 Вт/см2. У дадатак да асноўнай мэтавай пакоя праект XCELS уключае да 10 лабараторый карыстальнікаў, кожная з якіх атрымлівае адзін або некалькі прамянёў для эксперыментаў. Выкарыстоўваючы гэта надзвычай моцнае светлавое поле, праект XCELS плануе правесці эксперыменты ў чатырох катэгорыях: працэсы квантавай электрадынамікі ў інтэнсіўных лазерных палях; Нараджэнне і паскарэнне часціц; Генерацыя другаснага электрамагнітнага выпраменьвання; Лабараторная астрафізіка, працэсы высокай шчыльнасці энергіі і дыягнастычныя даследаванні.
ФІГ. 2 Геаметрыя факусіроўкі ў камеры галоўнай мішэні. Для нагляднасці парабалічнае люстэрка прамяня 6 усталявана празрыстым, а ўваходны і выхадны прамяні паказваюць толькі два каналы 1 і 7.
На малюнку 3 паказана прасторавая схема кожнай функцыянальнай зоны лазернай сістэмы XCELS у эксперыментальным будынку. Электрычнасць, вакуумныя помпы, водападрыхтоўка, ачыстка і кандыцыянаванне размешчаны ў падвале. Агульная плошча забудовы складае больш за 24 000 м2. Агульная спажываная магутнасць каля 7,5 МВт. Эксперыментальны будынак складаецца з унутранага полага агульнага каркаса і вонкавай секцыі, кожная з якіх пабудавана на двух раз'яднаных падмурках. Вакуумныя і іншыя сістэмы, якія ствараюць вібрацыю, усталёўваюцца на вібраізаляваным падмурку, так што амплітуда перашкод, якія перадаюцца ў лазерную сістэму праз падмурак і апору, зніжаецца да менш чым 10-10 г2/Гц у дыяпазоне частот 1-200 Гц. Акрамя таго, у лазернай зале наладжана сетка геадэзічных апорных знакаў для сістэматычнага маніторынгу праходжання грунта і абсталявання.
Праект XCELS накіраваны на стварэнне буйной навукова-даследчай установы на аснове лазераў надзвычай высокай пікавай магутнасці. Адзін канал лазернай сістэмы XCELS можа забяспечваць інтэнсіўнасць сфакусаванага святла ў некалькі разоў вышэй за 1024 Вт/см2, якая можа быць дадаткова перавышана на 1025 Вт/см2 з дапамогай тэхналогіі постсціску. Шляхам дыпольнай факусоўкі імпульсаў з 12 каналаў у лазернай сістэме можна дасягнуць інтэнсіўнасці, блізкай да 1026 Вт/см2, нават без пост-сціску і фазавай блакіроўкі. Калі фазавая сінхранізацыя паміж каналамі заблакіравана, інтэнсіўнасць святла будзе ў некалькі разоў вышэй. Выкарыстоўваючы гэтыя рэкордныя інтэнсіўнасці імпульсу і шматканальную кампаноўку прамяня, будучая ўстаноўка XCELS зможа праводзіць эксперыменты з надзвычай высокай інтэнсіўнасцю, складаным размеркаваннем светлавога поля і дыягнаставаць узаемадзеянне з выкарыстаннем шматканальных лазерных прамянёў і другаснага выпраменьвання. Гэта будзе гуляць унікальную ролю ў галіне эксперыментальнай фізікі звышмоцнага электрамагнітнага поля.
Час публікацыі: 26 сакавіка 2024 г