Нядаўна Інстытут прыкладной фізікі Расійскай акадэміі навук прадставіў Цэнтр даследаванняў экстрэмальнага святла eXawatt (XCELS) — даследчую праграму для буйных навуковых прылад, заснаваных на надзвычай...лазеры высокай магутнасціПраект уключае будаўніцтва вельмілазер высокай магутнасціна аснове тэхналогіі аптычнага параметрычнага ўзмацнення імпульсаў з чырпаваннем у крышталях дыдэйтэрыйфасфату калію (DKDP, хімічная формула KD2PO4) з вялікай апертурай, з чаканай агульнай магутнасцю пікавых імпульсаў 600 ПВт. Гэтая праца змяшчае важныя падрабязнасці і вынікі даследаванняў аб праекце XCELS і яго лазерных сістэмах, апісваючы прымяненне і патэнцыйны ўплыў, звязаны з узаемадзеяннем звышмоцных светлавых палёў.
Праграма XCELS была прапанавана ў 2011 годзе з першапачатковай мэтай дасягнення пікавай магутнасцілазерімпульсная магутнасць 200 ПВт, якая ў цяперашні час павялічана да 600 ПВт.лазерная сістэмаабапіраецца на тры ключавыя тэхналогіі:
(1) Замест традыцыйнай тэхналогіі ўзмацнення імпульсаў з чырпаваннем (OPCPA) выкарыстоўваецца тэхналогія аптычнага параметрычнага ўзмацнення імпульсаў з чырпаваннем (OPCPA);
(2) Выкарыстоўваючы DKDP у якасці ўзмацняльнага асяроддзя, дасягаецца ультрашырокапалоснае фазавае ўзгадненне каля даўжыні хвалі 910 нм;
(3) Для накачкі параметрнага ўзмацняльніка выкарыстоўваецца лазер на неадымавым шкле з вялікай апертурай і энергіяй імпульсаў у тысячы джоўляў.
Звышшырокапалоснае фазавае ўзгадненне шырока сустракаецца ў многіх крышталях і выкарыстоўваецца ў фемтасекундных лазерах OPCPA. Крышталі DKDP выкарыстоўваюцца, таму што яны з'яўляюцца адзіным матэрыялам, які сустракаецца на практыцы і які можна вырошчваць да дзясяткаў сантыметраў апертуры і ў той жа час мець прымальныя аптычныя якасці для падтрымкі ўзмацнення магутнасці шматімпульснага выпраменьвання.лазерыВыяўлена, што калі крышталь DKDP накачваецца выпраменьваннем двухчастотнага лазера на ND-шкле, і даўжыня хвалі носьбіта ўзмоцненага імпульсу складае 910 нм, першыя тры члены разлажэння Тэйлара для неадпаведнасці хвалевага вектара роўныя 0.
На малюнку 1 паказана схематычная схема лазернай сістэмы XCELS. Пярэдняя частка генеравала фемтасекундныя імпульсы з цэнтральнай даўжынёй хвалі 910 нм (1,3 на малюнку 1) і нанасекундныя імпульсы 1054 нм, якія ўводзяцца ў лазер з накачкай OPCPA (1,1 і 1,2 на малюнку 1). Пярэдняя частка 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 імпульс з чырпаваннем да дзясяткаў джоўляў (2 на малюнку 1). Імпульс далей узмацняецца ўзмацняльнікам OPCPA ў адзін кіладжоўльны прамень і падзяляецца на 12 аднолькавых падпрамянёў (4 на малюнку 1). У канчатковых 12 OPCPA кожны з 12 імпульсаў з чырпаваннем святла ўзмацняецца да ўзроўню кіладжоўляў (5 на малюнку 1), а затым сціскаецца 12 кампрэсійнымі кратамі (ГК з 6 на малюнку 1). Акустааптычны праграмуемы дысперсійны фільтр выкарыстоўваецца на пярэднім канцы для дакладнага кіравання дысперсіяй групавой хуткасці і дысперсіяй высокага парадку, каб атрымаць мінімальна магчымую шырыню імпульсу. Спектр імпульсу мае форму, прыблізна адпавядаючую 12-му парадку супергаўса, а спектральная паласа прапускання пры 1% ад максімальнага значэння складае 150 нм, што адпавядае лімітавай шырыні імпульсу пераўтварэння Фур'е, роўнай 17 фс. Улічваючы няпоўную кампенсацыю дысперсіі і складанасць нелінейнай фазавай кампенсацыі ў параметрных узмацняльніках, чаканая шырыня імпульсу складае 20 фс.
У лазеры XCELS будуць выкарыстоўвацца два 8-канальныя модулі падваення частаты лазера UFL-2M з неадымавым шклом (3 на малюнку 1), з якіх 13 каналаў будуць выкарыстоўвацца для накачкі ўзмацняльніка OPCPA, а 12 — для канчатковага OPCPA. Астатнія тры каналы будуць выкарыстоўвацца ў якасці незалежных імпульсных нанасекундных кіладжоўляў.лазерныя крыніцыдля іншых эксперыментаў. Абмежаваная парогам аптычнага прабою крышталяў DKDP, інтэнсіўнасць апрамянення накачанага імпульсу ўстаноўлена на ўзроўні 1,5 ГВт/см2 для кожнага канала, а працягласць — 3,5 нс.
Кожны канал лазера XCELS генеруе імпульсы магутнасцю 50 ПВт. Усяго 12 каналаў забяспечваюць агульную выходную магутнасць 600 ПВт. У асноўнай мішэні максімальная інтэнсіўнасць факусоўкі кожнага канала ў ідэальных умовах складае 0,44×10²⁶ Вт/см², пры ўмове выкарыстання факусуючых элементаў F/1. Калі імпульс кожнага канала дадаткова сціснуць да 2,6 фс з дапамогай метаду посткампрэсіі, адпаведная выходная магутнасць імпульсу павялічыцца да 230 ПВт, што адпавядае інтэнсіўнасці святла 2,0×10²⁶ Вт/см².
Каб дасягнуць большай інтэнсіўнасці святла, пры выхадной магутнасці 600 ПВт светлавыя імпульсы ў 12 каналах будуць факусавацца ў геаметрыі адваротнага дыпольнага выпраменьвання, як паказана на малюнку 2. Калі фаза імпульсу ў кожным канале не блакіравана, інтэнсіўнасць фокусу можа дасягаць 9×10²⁶ Вт/см². Калі кожная фаза імпульсу блакіравана і сінхранізавана, кагерэнтная выніковая інтэнсіўнасць святла будзе павялічана да 3,2×10²⁶ Вт/см². Акрамя асноўнага памяшкання для эксперыментаў, 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 праводзіць эксперыменты ў чатырох катэгорыях: працэсы квантавай электрадынамікі ў інтэнсіўных лазерных палях; вытворчасць і паскарэнне часціц; генерацыя другаснага электрамагнітнага выпраменьвання; лабараторная астрафізіка, працэсы высокай шчыльнасці энергіі і дыягнастычныя даследаванні.
РЫС. 2. Геаметрыя факусоўкі ў асноўнай мішэні. Для нагляднасці парабалічнае люстэрка прамяня 6 усталявана празрыстым, а ўваходны і выходны прамяні паказваюць толькі два каналы 1 і 7.
На малюнку 3 паказана прасторавае размяшчэнне кожнай функцыянальнай зоны лазернай сістэмы XCELS у эксперыментальным будынку. Электрычнасць, вакуумныя помпы, сістэмы ачысткі вады, ачысткі і кандыцыянавання паветра размешчаны ў падвале. Агульная плошча забудовы складае больш за 24 000 м2. Агульная спажываная магутнасць складае каля 7,5 МВт. Эксперыментальны будынак складаецца з унутранай пустой агульнай рамы і знешняй секцыі, кожная з якіх пабудавана на двух раз'яднаных падмурках. Вакуумная і іншыя вібрацыйныя сістэмы ўстаноўлены на вібраізаляваным падмурку, так што амплітуда перашкод, якія перадаюцца лазернай сістэме праз падмурак і апору, зніжаецца да менш чым 10-10 г2/Гц у дыяпазоне частот 1-200 Гц. Акрамя таго, у лазернай зале ўсталявана сетка геадэзічных апорных маркераў для сістэматычнага маніторынгу зрушэння грунту і абсталявання.
Праект XCELS накіраваны на стварэнне буйной навукова-даследчай устаноўкі на аснове лазераў з надзвычай высокай пікавай магутнасцю. Адзін канал лазернай сістэмы XCELS можа забяспечыць сфакусаваную інтэнсіўнасць святла, якая ў некалькі разоў перавышае 1024 Вт/см2, і можа быць перавышана на 1025 Вт/см2 з дапамогай тэхналогіі посткампрэсіі. Дзякуючы дыпольнай факусоўцы імпульсаў з 12 каналаў у лазернай сістэме можна дасягнуць інтэнсіўнасці, блізкай да 1026 Вт/см2, нават без посткампрэсіі і фазавай сінхранізацыі. Калі фазавая сінхранізацыя паміж каналамі будзе заблакіравана, інтэнсіўнасць святла будзе ў некалькі разоў вышэй. Выкарыстоўваючы гэтыя рэкордныя інтэнсіўнасці імпульсаў і шматканальную кампаноўку прамяня, будучая ўстаноўка XCELS зможа праводзіць эксперыменты з надзвычай высокай інтэнсіўнасцю, складаным размеркаваннем светлавога поля і дыягнаставаць узаемадзеянні з выкарыстаннем шматканальных лазерных прамянёў і другаснага выпраменьвання. Гэта адыграе ўнікальную ролю ў галіне эксперыментальнай фізікі звышмоцнага электрамагнітнага поля.
Час публікацыі: 26 сакавіка 2024 г.