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, das auf extremHochleistungslaserDas Projekt umfasst den Bau eines sehrHochleistungslaserBasierend auf optischer parametrischer Chirped-Pulse-Amplification-Technologie in Kaliumdideuteriumphosphat-Kristallen mit großer Apertur (DKDP, chemische Formel KD2PO4) mit einer erwarteten Gesamtleistung von 600 PW Spitzenleistungsimpulsen. Diese Arbeit liefert wichtige Details und Forschungsergebnisse zum XCELS-Projekt und seinen Lasersystemen und beschreibt Anwendungen und potenzielle Auswirkungen im Zusammenhang mit ultrastarken Lichtfeldwechselwirkungen.
Das XCELS-Programm wurde 2011 mit dem ursprünglichen Ziel vorgeschlagen, eine Spitzenleistung zu erreichenLaserPulsleistung von 200 PW, die derzeit auf 600 PW erweitert wird. SeineLasersystembasiert auf drei Schlüsseltechnologien:
(1) Anstelle der herkömmlichen Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA)-Technologie wird die Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-Technologie verwendet.
(2) Durch die Verwendung von DKDP als Verstärkungsmedium wird eine Ultrabreitband-Phasenanpassung bei einer Wellenlänge von etwa 910 nm erreicht.
(3) Ein Neodym-Glaslaser mit großer Apertur und einer Pulsenergie von mehreren Tausend 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 Öffnung von mehreren zehn Zentimetern gezüchtet werden kann und gleichzeitig akzeptable optische Eigenschaften aufweist, um die Verstärkung von Multi-PW-Leistung zu unterstützen.Laser. Es wurde festgestellt, dass, wenn der DKDP-Kristall mit dem doppeltfrequenten Licht des ND-Glaslasers gepumpt wird und die Trägerwellenlänge des verstärkten Impulses 910 nm beträgt, die ersten drei Terme der Taylor-Entwicklung der Wellenvektor-Fehlanpassung 0 sind.
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau des XCELS-Lasersystems. Das Frontend erzeugt gechirpte Femtosekundenpulse mit einer zentralen Wellenlänge von 910 nm (1,3 in Abbildung 1) und 1054 nm Nanosekundenpulse, die in den OPCPA-gepumpten Laser eingespeist werden (1,1 und 1,2 in Abbildung 1). Das Frontend gewährleistet zudem die Synchronisation dieser Pulse sowie die erforderliche Energie und die räumlich-zeitlichen Parameter. Ein dazwischengeschalteter OPCPA mit höherer Wiederholungsrate (1 Hz) verstärkt den gechirpten Puls auf mehrere zehn Joule (2 in Abbildung 1). Der Puls wird durch den Booster OPCPA weiter zu einem einzigen Kilojoule-Strahl verstärkt und in zwölf identische Teilstrahlen aufgeteilt (4 in Abbildung 1). Im finalen 12 OPCPA wird jeder der 12 gechirpten Lichtimpulse auf Kilojoule verstärkt (5 in Abbildung 1) und anschließend durch 12 Kompressionsgitter (GC von 6 in Abbildung 1) komprimiert. Der akustooptische programmierbare Dispersionsfilter dient im Frontend zur präzisen Steuerung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion und der Dispersion höherer Ordnung, um die kleinstmögliche Impulsbreite zu erreichen. Das Impulsspektrum weist eine Form von nahezu Supergauss 12. Ordnung auf, und die spektrale Bandbreite bei 1 % des Maximalwerts beträgt 150 nm, was der Fourier-Transformations-Grenzimpulsbreite 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-Glas-Laserfrequenzverdopplermodule (3 in Abbildung 1) verwenden, von denen 13 Kanäle zum Pumpen des Booster-OPCPA und 12 zum endgültigen OPCPA verwendet werden. Die verbleibenden drei Kanäle dienen als unabhängige Nanosekunden-Kilojoule-PulseLaserquellenfür andere Experimente. Begrenzt durch die optische Durchbruchsschwelle der DKDP-Kristalle wird die Bestrahlungsintensität des Pumpimpulses für jeden Kanal auf 1,5 GW/cm² eingestellt und die Dauer beträgt 3,5 ns.
Jeder Kanal des XCELS-Lasers erzeugt Pulse mit einer Leistung von 50 PW. Insgesamt 12 Kanäle liefern eine Gesamtausgangsleistung von 600 PW. In der Haupttargetkammer beträgt die maximale Fokussierungsintensität jedes Kanals unter Idealbedingungen 0,44 × 1025 W/cm², vorausgesetzt, dass F/1-Fokussierelemente zur Fokussierung verwendet werden. Wird der Puls jedes Kanals durch Postkompressionsverfahren weiter 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 bei einer Leistung von 600 PW zu erreichen, werden die Lichtpulse in den 12 Kanälen in der Geometrie einer inversen Dipolstrahlung fokussiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wenn die Pulsphase in jedem Kanal nicht synchronisiert ist, kann die Fokusintensität 9×1025 W/cm2 erreichen. Wenn jede Pulsphase synchronisiert und gesperrt ist, erhöht sich die resultierende kohärente Lichtintensität auf 3,2×1026 W/cm2. Neben dem Haupttargetraum umfasst das XCELS-Projekt bis zu 10 Benutzerlabore, die jeweils einen oder mehrere Strahlen für Experimente erhalten. 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, Prozesse mit hoher Energiedichte und diagnostische Forschung.
Abb. 2 Fokussierungsgeometrie in der Haupttargetkammer. Der Parabolspiegel von Strahl 6 ist zur besseren Übersicht transparent dargestellt, 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 Experimentalgebäude. Strom, Vakuumpumpen, Wasseraufbereitung, -reinigung und Klimaanlage befinden sich im Untergeschoss. Die gesamte Baufläche beträgt über 24.000 m². Der Gesamtstromverbrauch liegt bei ca. 7,5 MW. Das Experimentalgebäude besteht aus einem inneren hohlen Gesamtrahmen und einem äußeren Abschnitt, die jeweils auf zwei entkoppelten Fundamenten errichtet sind. Das Vakuum und andere schwingungserzeugende Systeme sind auf dem schwingungsisolierten Fundament installiert, sodass die Amplitude der über Fundament und Stütze auf das Lasersystem übertragenen Störungen im Frequenzbereich von 1 bis 200 Hz auf weniger als 10-10 g²/Hz reduziert wird. Zusätzlich wurde in der Laserhalle ein Netzwerk geodätischer Referenzmarkierungen eingerichtet, um die Drift des Bodens und der Ausrüstung systematisch zu überwachen.
Das XCELS-Projekt zielt darauf ab, eine große wissenschaftliche Forschungsanlage mit Lasern extrem hoher Spitzenleistung zu errichten. Ein Kanal des XCELS-Lasersystems kann eine fokussierte Lichtintensität von einem Vielfachen von über 1024 W/cm2 liefern, die mit Postkompressionstechnologie sogar um 1025 W/cm2 übertroffen werden kann. Durch Dipolfokussierung der Pulse aus 12 Kanälen des Lasersystems kann selbst ohne Postkompression und Phasensynchronisation eine Intensität nahe 1026 W/cm2 erreicht werden. Bei synchroner Phasensynchronisation zwischen den Kanälen ist die Lichtintensität um ein Vielfaches höher. Mithilfe dieser rekordverdächtigen Pulsintensitäten und der mehrkanaligen Strahlanordnung wird die zukünftige XCELS-Anlage Experimente mit extrem hoher Intensität und komplexen Lichtfeldverteilungen ermöglichen sowie Wechselwirkungen zwischen mehrkanaligen Laserstrahlen und Sekundärstrahlung diagnostizieren können. Dies wird eine einzigartige Rolle in der Experimentalphysik superstarker elektromagnetischer Felder spielen.
Veröffentlichungszeit: 26. März 2024