Kürzlich stellte das Institut für angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften das Exawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) ein, ein Forschungsprogramm für große wissenschaftliche Geräte, die auf extremHochleistungslaser. Das Projekt umfasst den Bau eines sehrHochleistungslaserBasierend auf der optischen parametrischen Chirpulpulsamplifikationstechnologie in Kalium -Dideuterium -Phosphat mit großer Apertur (DKDP, chemische Formel KD2PO4) mit einem erwarteten Gesamtausgang von 600 PW -Spitzenleistungspulsen. Diese Arbeit liefert wichtige Details und Forschungsergebnisse zum XCELS-Projekt und seinen Lasersystemen, die Anwendungen und mögliche Auswirkungen im Zusammenhang mit ultra-starken Leichtfeldwechselwirkungen beschreiben.
Das XCELS -Programm wurde 2011 mit dem ursprünglichen Ziel vorgeschlagen, eine Spitzenleistung zu erreichenLaserImpulsausgang von 200 PW, der derzeit auf 600 PW aktualisiert wird. Es istLasersystemstützt sich auf drei Schlüsseltechnologien:
(1) OPCPA -Technologie (optische parametrische Chirpulpuls Amplification) wird anstelle einer herkömmlichen Chirped -Impulsamplifikation (Chirped -Impulsamplifikation, OPCPA) verwendet. CPA) -Technologie;
(2) Unter Verwendung von DKDP als Verstärkungsmedium wird die Ultra -Breitband -Phase -Matching in der Nähe von 910 nm Wellenlänge realisiert.
(3) Ein großer Blende -Neodymglaslaser mit einer Impulsenergie von Tausenden von Joule wird verwendet, um einen parametrischen Verstärker zu pumpen.
In vielen Kristallen ist die ultra-weite Bandphasenanpassung weit verbreitet und in OPCPA-Femtosekunden-Lasern verwendet. DKDP-Kristalle werden verwendet, weil sie das einzige Material sind, das in der Praxis gefunden werden kann, das zu zehn Zentimetern der Blende erwachsen werden kann und gleichzeitig akzeptable optische Eigenschaften haben, um die Verstärkung der Multi-PW-Leistung zu unterstützenLaser. Es wird festgestellt, dass, wenn der DKDP -Kristall durch das Doppelfrequenzlicht des ND -Glaslasers gepumpt wird. Wenn die Trägerwellenlänge des amplifizierten Impulses 910 nm beträgt, sind die ersten drei Terme der Taylor -Expansion des Wellenvektormismatches 0.
Abbildung 1 ist ein schematisches Layout des Xcels -Lasersystems. Das vordere Ende erzeugte zwitschernde Femtosekundenimpulse mit einer zentralen Wellenlänge von 910 nm (1,3 in Abbildung 1) und 1054 nm Nanosekundenimpulsen, die in den OPCPA -gepumpten Laser (1,1 und 1,2 in Abbildung 1) injiziert wurden. Das vordere Ende gewährleistet auch die Synchronisation dieser Impulse sowie die erforderlichen Energie- und räumlich -zeitlichen Parameter. Ein mittleres OPCPA, das mit einer höheren Wiederholungsrate (1 Hz) arbeitet, verstärkt den zwitschernden Impuls zu zehn Joules (2 in Abbildung 1). Der Impuls wird durch das Booster-OPCPA in einen einzigen Kilojoule-Strahl weiter verstärkt und in 12 identische Substrahlen unterteilt (4 in Abbildung 1). In den letzten 12 OPCPA wird jedes der 12 -Chirped -Lichtimpulse auf den Kilojoule -Level (5 in Abbildung 1) verstärkt und dann durch 12 Kompressionsgitter (GC von 6 in Abbildung 1) komprimiert. Der akustooptische programmierbare Dispersionsfilter wird im vorderen Ende verwendet, um die Geschwindigkeitsdispersion der Gruppe und die Dispersion hoher Ordnung genau zu steuern, um die kleinstmögliche Impulsbreite zu erhalten. Das Impulsspektrum hat eine Form von fast 12. Ordnung Supergauss, und die Spektralbandbreite bei 1% des Maximalwerts beträgt 150 nm, was der Fourier-Transformationsgrenze impuls Breite von 17 fs entspricht. In Anbetracht der unvollständigen Dispersionskompensation und der Schwierigkeit der nichtlinearen Phasenkompensation bei parametrischen Verstärkern beträgt die erwartete Impulsbreite 20 fs.
Der XCELS-Laser verwendet zwei 8-Kanal-UFL-2M-Neodym-Glaslaser-Frequenzmodule (3 in Abbildung 1), von denen 13 Kanäle zum Pumpen des Booster-OPCPA und 12 endgültigen OPCPA verwendet werden. Die verbleibenden drei Kanäle werden als unabhängige Nanosekunden -Kilojoule verwendetLaserquellenFür andere Experimente. Begrenzt durch den optischen Breakdown -Schwellenwert der DKDP -Kristalle ist die Bestrahlungsintensität des gepumpten Impulses für jeden Kanal auf 1,5 GW/cm2 eingestellt und die Dauer beträgt 3,5 ns.
Jeder Kanal des Xcels -Lasers erzeugt Impulse mit einer Leistung von 50 PW. Insgesamt 12 Kanäle bieten eine Gesamtleistung von 600 PW. In der Hauptzielkammer beträgt die maximale Fokussierungsintensität jedes Kanals unter idealen Bedingungen 0,44 × 1025 W/cm2, unter der Annahme, dass für die Fokussierung die F/1 -Fokussierelemente verwendet werden. Wenn der Impuls jedes Kanals durch Post-Kompressionstechnik weiter auf 2,6 fs komprimiert wird, wird die entsprechende Ausgangsimpulsleistung auf 230 PW erhöht, was der Lichtintensität von 2,0 × 1025 W/cm2 entspricht.
Um eine größere Lichtintensität bei 600 PW -Ausgang zu erzielen, werden die Lichtimpulse in den 12 Kanälen auf die Geometrie der inversen Dipolstrahlung fokussiert, wie in Abbildung 2 gezeigt. Wenn die Impulsphase in jedem Kanal nicht verschlossen ist, kann die Fokussintensität 9 × 1025 W/cm2 erreichen. Wenn jede Impulsphase gesperrt und synchronisiert ist, wird die kohärente resultierende Lichtintensität auf 3,2 × 1026 W/cm2 erhöht. Zusätzlich zum Hauptzielraum umfasst das XCELS -Projekt bis zu 10 Benutzerlabors, die jeweils einen oder mehrere Strahlen für Experimente erhalten. Mit diesem extrem starken Lichtfeld plant die XCELS -Projekte, Experimente in vier Kategorien durchzuführen: Quantenelektrodynamikprozesse in intensiven Laserfeldern; Die Produktion und Beschleunigung von Partikeln; Die Erzeugung sekundärer elektromagnetischer Strahlung; Labor -Astrophysik, Prozesse mit hoher Energiedichte und diagnostische Forschung.
FEIGE. 2 Fokussierung der Geometrie in der Hauptzielkammer. Für Klarheit ist der parabolische Spiegel von Strahl 6 auf transparent eingestellt, und die Eingangs- und Ausgangsstrahlen zeigen nur zwei Kanäle 1 und 7
Abbildung 3 zeigt das räumliche Layout jeder Funktionsfläche des Xcels -Lasersystems im experimentellen Gebäude. Im Keller befinden sich Strom, Vakuumpumpen, Wasserbehandlung, Reinigung und Klimaanlage. Die gesamte Baufläche beträgt mehr als 24.000 m2. Der Gesamtstromverbrauch beträgt ca. 7,5 MW. Das experimentelle Gebäude besteht aus einem internen hohen Gesamtrahmen und einem externen Abschnitt, der jeweils auf zwei entkoppelten Fundamenten basiert. Das Vakuum und andere vibrationsinduzierende Systeme werden auf der vibrations isolierten Fundament installiert, sodass die Amplitude der Störung durch das Fundament und die Unterstützung im Frequenzbereich von 1 bis 200 Hz auf weniger als 10-10 G2/Hz übertragen wird. Darüber hinaus wird in der Laserhalle ein Netzwerk von geodätischen Referenzmarkern eingerichtet, um die Drift des Bodens und der Geräte systematisch zu überwachen.
Das XCELS -Projekt zielt darauf ab, eine große wissenschaftliche Forschungseinrichtung zu schaffen, die auf extrem hohen Spitzenleistungslasern basiert. Ein Kanal des XCELS-Lasersystems kann eine mehrmalige Lichtintensität mit einer Fokussierung von mehr als 1024 W/cm2 liefern, die mit der Nachkompressionstechnologie um 1025 W/cm2 weiter übertroffen werden kann. Durch Dipol-Fokussierungsimpulse aus 12 Kanälen im Lasersystem kann eine Intensität in der Nähe von 1026 W/cm2 auch ohne Nachkompression und Phasenverriegelung erreicht werden. Wenn die Phasensynchronisation zwischen den Kanälen gesperrt ist, ist die Lichtintensität um ein Vielfaches höher. Unter Verwendung dieser rekordverdächtigen Impulsintensitäten und des Multi-Channel-Strahllayouts kann die zukünftige XCELS-Einrichtung Experimente mit extrem hoher Intensität, komplexen Lichtfeldverteilungen und Diagnosewechselwirkungen unter Verwendung von Mehrkanallaserstrahlen und Sekundärstrahlung durchführen. Dies spielt eine einzigartige Rolle im Bereich der experimentellen Physik der experimentellen experimentellen Felddarstellung.
Postzeit: März-2024