Kürzlich hat das Institut für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften das eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) eingeführt, ein Forschungsprogramm für große wissenschaftliche Geräte auf Basis extremer LichtverhältnisseHochleistungslaser. Das Projekt umfasst den Bau eines sehrHochleistungslaserbasierend auf optischer parametrischer Chirped-Pulsverstärkungstechnologie in Kaliumdideuteriumphosphatkristallen (DKDP, chemische Formel KD2PO4) mit großer Apertur und einer erwarteten Gesamtleistung von 600 PW Spitzenleistungsimpulsen. Diese Arbeit liefert wichtige Details und Forschungsergebnisse zum XCELS-Projekt und seinen Lasersystemen und beschreibt Anwendungen und mögliche Auswirkungen im Zusammenhang mit ultrastarken Lichtfeldwechselwirkungen.
Das XCELS-Programm wurde 2011 mit dem ursprünglichen Ziel vorgeschlagen, eine Spitzenleistung zu erreichenLaserImpulsleistung von 200 PW, die derzeit auf 600 PW aufgerüstet wird. Es istLasersystemsetzt auf drei Schlüsseltechnologien:
(1) Die Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-Technologie wird anstelle der herkömmlichen Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) verwendet. CPA)-Technologie;
(2) Mit DKDP als Verstärkungsmedium wird eine ultrabreitbandige Phasenanpassung nahe der Wellenlänge von 910 nm realisiert;
(3) Ein Neodym-Glaslaser mit großer Apertur und einer Pulsenergie von Tausenden von Joule wird zum Pumpen eines parametrischen Verstärkers verwendet.
Ultrabreitband-Phasenanpassung ist in vielen Kristallen weit verbreitet und wird in OPCPA-Femtosekundenlasern verwendet. DKDP-Kristalle werden verwendet, weil sie das einzige in der Praxis vorkommende Material sind, das auf eine Apertur von mehreren zehn Zentimetern gezüchtet werden kann und gleichzeitig akzeptable optische Eigenschaften aufweist, um die Verstärkung von Multi-PW-Leistung zu unterstützenLaser. Es wurde festgestellt, dass, wenn der DKDP-Kristall durch das Doppelfrequenzlicht des ND-Glaslasers gepumpt wird und die Trägerwellenlänge des verstärkten Impulses 910 nm beträgt, die ersten drei Terme der Taylor-Entwicklung der Wellenvektorfehlanpassung 0 sind.
Abbildung 1 ist ein schematischer Aufbau des XCELS-Lasersystems. Das Frontend erzeugte gechirpte Femtosekundenpulse mit einer zentralen Wellenlänge von 910 nm (1.3 in Abbildung 1) und 1054 nm Nanosekundenpulse, die in den OPCPA-gepumpten Laser injiziert wurden (1.1 und 1.2 in Abbildung 1). Das Frontend sorgt außerdem für die Synchronisierung dieser Impulse sowie der erforderlichen Energie- und raumzeitlichen Parameter. Ein Zwischen-OPCPA, der mit einer höheren Wiederholungsrate (1 Hz) arbeitet, verstärkt den gechirpten Impuls auf mehrere zehn Joule (2 in Abbildung 1). Der Impuls wird durch den Booster OPCPA weiter zu einem einzelnen Kilojoule-Strahl verstärkt und in 12 identische Teilstrahlen aufgeteilt (4 in Abbildung 1). In den letzten 12 OPCPA wird jeder der 12 gechirpten Lichtimpulse auf Kilojoule-Niveau verstärkt (5 in Abbildung 1) und dann durch 12 Kompressionsgitter (GC von 6 in Abbildung 1) komprimiert. Der akusto-optische programmierbare Dispersionsfilter wird im Frontend verwendet, um die Gruppengeschwindigkeitsdispersion und Dispersion hoher Ordnung präzise zu steuern und so die kleinstmögliche Impulsbreite zu erhalten. Das Pulsspektrum hat eine Form von nahezu Supergauss der 12. Ordnung, und die spektrale Bandbreite bei 1 % des Maximalwerts beträgt 150 nm, was der Grenzpulsbreite der Fourier-Transformation von 17 fs entspricht. Unter Berücksichtigung der unvollständigen Dispersionskompensation und der Schwierigkeit der nichtlinearen Phasenkompensation in parametrischen Verstärkern beträgt die erwartete Impulsbreite 20 fs.
Der XCELS-Laser wird zwei 8-Kanal-UFL-2M-Neodym-Glaslaser-Frequenzverdopplungsmodule (3 in Abbildung 1) verwenden, von denen 13 Kanäle zum Pumpen des Booster-OPCPA und 12 End-OPCPA verwendet werden. Die verbleibenden drei Kanäle werden als unabhängige Nanosekunden-Kilojoule-Pulse verwendetLaserquellenfür andere Experimente. Begrenzt durch die optische Durchbruchsschwelle der DKDP-Kristalle wird die Bestrahlungsintensität des Pumpimpulses für jeden Kanal auf 1,5 GW/cm2 und die Dauer auf 3,5 ns eingestellt.
Jeder Kanal des XCELS-Lasers erzeugt Impulse mit einer Leistung von 50 PW. Insgesamt 12 Kanäle liefern eine Gesamtausgangsleistung von 600 PW. In der Hauptzielkammer beträgt die maximale Fokussierungsintensität jedes Kanals unter idealen Bedingungen 0,44×1025 W/cm2, vorausgesetzt, dass F/1-Fokussierungselemente zur Fokussierung verwendet werden. Wenn der Impuls jedes Kanals durch Nachkomprimierungstechnik weiter auf 2,6 fs komprimiert wird, erhöht sich die entsprechende Ausgangsimpulsleistung auf 230 PW, was einer Lichtintensität von 2,0×1025 W/cm2 entspricht.
Um eine höhere Lichtintensität bei einer Leistung von 600 PW zu erreichen, werden die Lichtimpulse in den 12 Kanälen in der Geometrie der inversen Dipolstrahlung fokussiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wenn die Impulsphase in jedem Kanal nicht gesperrt ist, kann die Fokusintensität geändert werden erreichen 9×1025 W/cm2. Wenn jede Impulsphase verriegelt und synchronisiert ist, wird die resultierende kohärente Lichtintensität auf 3,2×1026 W/cm2 erhöht. Zusätzlich zum Hauptzielraum umfasst das XCELS-Projekt bis zu 10 Benutzerlabore, die jeweils einen oder mehrere Strahlen für Experimente erhalten. Mit diesem extrem starken Lichtfeld will das XCELS-Projekt Experimente in vier Kategorien durchführen: Quantenelektrodynamische Prozesse in intensiven Laserfeldern; Die Produktion und Beschleunigung von Teilchen; Die Erzeugung sekundärer elektromagnetischer Strahlung; Laborastrophysik, Prozesse mit hoher Energiedichte und diagnostische Forschung.
FEIGE. 2 Fokussierungsgeometrie in der Hauptzielkammer. Der Übersichtlichkeit halber ist der Parabolspiegel von Strahl 6 auf transparent eingestellt und die Eingangs- und Ausgangsstrahlen zeigen nur zwei Kanäle 1 und 7
Abbildung 3 zeigt die räumliche Anordnung der einzelnen Funktionsbereiche des XCELS-Lasersystems im Versuchsgebäude. Strom, Vakuumpumpen, Wasseraufbereitung, Reinigung und Klimaanlage befinden sich im Keller. Die gesamte Baufläche beträgt mehr als 24.000 m2. Der Gesamtstromverbrauch beträgt ca. 7,5 MW. Das Versuchsgebäude besteht aus einem inneren hohlen Gesamtrahmen und einem äußeren Abschnitt, die jeweils auf zwei entkoppelten Fundamenten errichtet sind. Das Vakuum und andere schwingungserzeugende Systeme werden auf dem schwingungsisolierten Fundament installiert, so dass die Amplitude der über das Fundament und die Stütze auf das Lasersystem übertragenen Störung im Frequenzbereich von auf weniger als 10-10 g2/Hz reduziert wird 1-200 Hz. Darüber hinaus wird in der Laserhalle ein Netzwerk geodätischer Referenzmarker aufgebaut, um die Drift des Bodens und der Ausrüstung systematisch zu überwachen.
Ziel des XCELS-Projekts ist die Schaffung einer großen wissenschaftlichen Forschungsanlage auf Basis von Lasern mit extrem hoher Spitzenleistung. Ein Kanal des XCELS-Lasersystems kann eine fokussierte Lichtintensität liefern, die um ein Vielfaches höher ist als 1024 W/cm2, die mit der Nachkompressionstechnologie sogar noch um 1025 W/cm2 übertroffen werden kann. Durch dipolfokussierende Impulse aus 12 Kanälen im Lasersystem kann eine Intensität von nahezu 1026 W/cm2 auch ohne Nachkomprimierung und Phasenverriegelung erreicht werden. Wenn die Phasensynchronisation zwischen den Kanälen gesperrt ist, ist die Lichtintensität um ein Vielfaches höher. Mit diesen rekordverdächtigen Pulsintensitäten und dem mehrkanaligen Strahllayout wird die zukünftige XCELS-Anlage in der Lage sein, Experimente mit extrem hoher Intensität und komplexen Lichtfeldverteilungen durchzuführen und Wechselwirkungen mithilfe von mehrkanaligen Laserstrahlen und Sekundärstrahlung zu diagnostizieren. Dies wird eine einzigartige Rolle auf dem Gebiet der experimentellen Physik superstarker elektromagnetischer Felder spielen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. März 2024