Kürzlich stellte das Institut für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften das eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) vor, ein Forschungsprogramm für große wissenschaftliche Geräte, die auf extremen Ionenstrahlen basieren.HochleistungslaserDas Projekt umfasst den Bau eines sehrHochleistungslaserBasierend auf der Technologie der optischen parametrischen Chirped-Pulse-Verstärkung in großaperturigen Kaliumdideuteriumphosphat-Kristallen (DKDP, chemische Formel KD₂PO₄) wird eine Gesamtausgangsleistung von 600 PW Spitzenleistung pro Puls erwartet. Diese Arbeit liefert wichtige Details und Forschungsergebnisse zum XCELS-Projekt und seinen Lasersystemen und beschreibt Anwendungen sowie potenzielle Auswirkungen im Zusammenhang mit Wechselwirkungen ultrastarker Lichtfelder.
Das XCELS-Programm wurde 2011 mit dem anfänglichen Ziel vorgeschlagen, eine Spitzenleistung zu erreichen.LaserDie Impulsausgangsleistung betrug 200 PW und wurde aktuell auf 600 PW erhöht.Lasersystembasiert auf drei Schlüsseltechnologien:
(1) Anstelle der herkömmlichen Chirped Pulse Amplification (CPA)-Technologie wird die optische parametrische Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-Technologie verwendet.
(2) Durch die Verwendung von DKDP als Verstärkungsmedium wird eine ultrabreitbandige Phasenanpassung im Bereich von 910 nm Wellenlänge erreicht.
(3) Ein Neodym-Glaslaser mit großer Apertur und einer Pulsenergie von Tausenden von Joule wird zum Pumpen eines parametrischen Verstärkers verwendet.
Ultrabreitbandige Phasenanpassung ist in vielen Kristallen weit verbreitet und wird in OPCPA-Femtosekundenlasern eingesetzt. DKDP-Kristalle kommen zum Einsatz, da sie das einzige Material sind, das sich mit Aperturen von mehreren zehn Zentimetern züchten lässt und gleichzeitig akzeptable optische Eigenschaften für die Verstärkung von Multi-PW-Leistungen aufweist.LaserEs wurde festgestellt, dass bei Anregung des DKDP-Kristalls mit Licht der doppelten Frequenz des ND-Glaslasers und einer Trägerwellenlänge des verstärkten Pulses von 910 nm die ersten drei Terme der Taylor-Entwicklung der Wellenvektorfehlanpassung 0 sind.
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau des XCELS-Lasersystems. Die Eingangsstufe erzeugt gechirpte Femtosekundenpulse mit einer zentralen Wellenlänge von 910 nm (1.3 in Abb. 1) und 1054 nm Nanosekundenpulse, die in den OPCPA-gepumpten Laser eingekoppelt werden (1.1 und 1.2 in Abb. 1). Die Eingangsstufe gewährleistet zudem die Synchronisation dieser Pulse sowie die Einhaltung der erforderlichen Energie- und Raumzeitparameter. Ein zwischengeschalteter OPCPA, der mit einer höheren Wiederholrate (1 Hz) arbeitet, verstärkt den gechirpten Puls auf mehrere zehn Joule (2 in Abb. 1). Der Puls wird anschließend durch den Booster-OPCPA zu einem Kilojoule-Strahl verstärkt und in 12 identische Teilstrahlen aufgeteilt (4 in Abb. 1). Im letzten OPCPA (optische parametrische Phasenkompensationsverstärker) wird jeder der zwölf gechirpten Lichtimpulse auf Kilojoule verstärkt (5 in Abbildung 1) und anschließend durch zwölf Kompressionsgitter komprimiert (GC von 6 in Abbildung 1). Ein akustooptischer programmierbarer Dispersionsfilter im Eingangsbereich dient der präzisen Kontrolle der Gruppenlaufzeitdispersion und der Dispersion höherer Ordnung, um die kleinstmögliche Impulsbreite zu erzielen. Das Impulsspektrum weist eine Form von nahezu Supergauss 12. Ordnung auf, und die spektrale Bandbreite bei 1 % des Maximalwerts beträgt 150 nm, was einer durch Fouriertransformation ermittelten Impulsbreite von 17 fs entspricht. Unter Berücksichtigung der unvollständigen Dispersionskompensation und der Schwierigkeit der nichtlinearen Phasenkompensation in parametrischen Verstärkern wird eine Impulsbreite von 20 fs erwartet.
Der XCELS-Laser verwendet zwei 8-Kanal-UFL-2M-Neodymglas-Laserfrequenzverdopplermodule (3 in Abbildung 1), von denen 13 Kanäle zum Pumpen des Booster-OPCPA und 12 Kanäle zum Ansteuern des finalen OPCPA dienen. Die verbleibenden drei Kanäle werden als unabhängige Nanosekunden-Kilojoule-Pulslaser genutzt.LaserquellenFür weitere Experimente. Begrenzt durch die optische Durchbruchschwelle der DKDP-Kristalle, ist die Bestrahlungsintensität des gepumpten Pulses für jeden Kanal auf 1,5 GW/cm² und die Dauer auf 3,5 ns eingestellt.
Jeder Kanal des XCELS-Lasers erzeugt Pulse mit einer Leistung von 50 PW. Insgesamt liefern die 12 Kanäle eine Ausgangsleistung von 600 PW. In der Hauptzielkammer beträgt die maximale Fokussierungsintensität jedes Kanals unter idealen Bedingungen 0,44 × 10²⁵ W/cm², vorausgesetzt, es werden F/1-Fokussierelemente verwendet. Durch eine Nachkompressionstechnik, die den Puls jedes Kanals auf 2,6 fs komprimiert, erhöht sich die entsprechende Ausgangspulsleistung auf 230 PW, was einer Lichtintensität von 2,0 × 10²⁵ W/cm² entspricht.
Um eine höhere Lichtintensität zu erzielen, werden bei einer Ausgangsleistung von 600 PW die Lichtimpulse der 12 Kanäle in der Geometrie inverser Dipolstrahlung fokussiert (siehe Abbildung 2). Bei nicht synchronisierter Impulsphase in den einzelnen Kanälen erreicht die Fokusintensität 9 × 10²⁵ W/cm². Durch die Synchronisierung der Impulsphasen erhöht sich die resultierende kohärente Lichtintensität auf 3,2 × 10²⁶ W/cm². Neben dem Hauptzielraum umfasst das XCELS-Projekt bis zu 10 Nutzerlabore, die jeweils einen oder mehrere Laserstrahlen für Experimente empfangen. Mit diesem extrem starken Lichtfeld plant das XCELS-Projekt Experimente in vier Kategorien: Quantenelektrodynamikprozesse in intensiven Laserfeldern; Erzeugung und Beschleunigung von Teilchen; Erzeugung sekundärer elektromagnetischer Strahlung; Laborastrophysik, Hochenergiedichteprozesse und diagnostische Forschung.
Abb. 2 Fokussierungsgeometrie in der Hauptzielkammer. Zur besseren Übersicht 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. Stromversorgung, Vakuumpumpen, Wasseraufbereitung, -reinigung und Klimaanlage befinden sich im Untergeschoss. Die Gesamtbaufläche beträgt über 24.000 m². Der Gesamtenergieverbrauch liegt bei etwa 7,5 MW. Das Versuchsgebäude besteht aus einem inneren Hohlrahmen und einem äußeren Teil, die jeweils auf zwei entkoppelten Fundamenten ruhen. Die Vakuumanlage und andere vibrationserzeugende Systeme sind auf dem schwingungsisolierten Fundament installiert, sodass die Amplitude der über Fundament und Träger auf das Lasersystem übertragenen Störung im Frequenzbereich von 1–200 Hz auf unter 10⁻¹⁰ g²/Hz reduziert wird. Zusätzlich ist in der Laserhalle ein Netz geodätischer Referenzmarken eingerichtet, um die Boden- und Gerätebewegungen systematisch zu überwachen.
Das XCELS-Projekt zielt auf den Aufbau einer großen wissenschaftlichen Forschungsanlage mit Lasern extrem hoher Spitzenleistung ab. Ein Kanal des XCELS-Lasersystems kann eine fokussierte Lichtintensität von über 1024 W/cm² liefern, die durch Nachkompressionstechnologie sogar auf 1025 W/cm² gesteigert werden kann. Durch Dipolfokussierung der Pulse aus zwölf Kanälen des Lasersystems lässt sich selbst ohne Nachkompression und Phasenverriegelung eine Intensität von nahezu 1026 W/cm² erreichen. Bei Phasenverriegelung zwischen den Kanälen steigt die Lichtintensität um ein Vielfaches. Dank dieser rekordverdächtigen Pulsintensitäten und der Mehrkanal-Strahlführung wird die zukünftige XCELS-Anlage Experimente mit extrem hoher Intensität und komplexen Lichtfeldverteilungen durchführen sowie Wechselwirkungen mithilfe von Mehrkanal-Laserstrahlen und Sekundärstrahlung untersuchen können. Dies wird eine einzigartige Rolle in der experimentellen Physik superstarker elektromagnetischer Felder spielen.
Veröffentlichungsdatum: 26. März 2024