Viru kuerzem huet den Institut fir Ugewandte Physik vun der Russescher Akademie vun de Wëssenschaften den eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) agefouert, e Fuerschungsprogramm fir grouss wëssenschaftlech Apparater baséiert op extrem ...héichleistungslaserDe Projet ëmfaasst de Bau vun engem ganzhéichleistungslaserbaséiert op optesch parametrescher gezwitschert Pulsverstärkungstechnologie a Kaliumdideuteriumphosphat (DKDP, chemesch Formel KD2PO4) Kristaller mat grousser Apertur, mat enger erwaarter Gesamtleeschtung vun 600 PW Spëtzeleeschtungsimpulser. Dës Aarbecht liwwert wichteg Detailer a Fuerschungsresultater iwwer den XCELS-Projet a seng Lasersystemer, a beschreift Uwendungen a potenziell Auswierkungen am Zesummenhang mat ultrastaarke Liichtfeldinteraktiounen.
Den XCELS-Programm gouf am Joer 2011 proposéiert mat dem ursprénglechen Zil, eng Spëtzeleeschtung z'erreechen.LaserPulsausgang vun 200 PW, déi aktuell op 600 PW eropgestuft ass. SengLasersystembaséiert op dräi Schlësseltechnologien:
(1) D'Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) Technologie gëtt amplaz vun der traditioneller Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) Technologie benotzt;
(2) Mat DKDP als Verstärkungsmedium gëtt eng ultrabreetband Phasenanpassung bei enger Wellelängt vun 910 nm realiséiert;
(3) E Neodymglaslaser mat grousser Apertur an enger Pulsenergie vun Dausende vu Joule gëtt benotzt fir e parametresche Verstärker ze pumpen.
Ultrabreetband-Phasenanpassung gëtt a ville Kristaller wäit verbreet fonnt a gëtt a OPCPA-Femtosekondenlaser benotzt. DKDP-Kristaller gi benotzt, well se dat eenzegt Material an der Praxis sinn, dat op Zénger Zentimeter Apertur vergréissert ka ginn an zur selwechter Zäit akzeptabel optesch Qualitéiten huet, fir d'Verstäerkung vu Multi-PW-Leeschtung z'ënnerstëtzen.LaserenEt stellt sech eraus, datt wann den DKDP-Kristall vum Duebelfrequenzliicht vum ND-Glaslaser gepompelt gëtt, an d'Tragträgerwellelängt vum verstärkten Impuls 910 nm ass, déi éischt dräi Terme vun der Taylor-Expansioun vum Wellevektor-Mismatch 0 sinn.
Figur 1 ass eng schematesch Duerstellung vum XCELS-Lasersystem. D'Frontend generéiert gezwitschert Femtosekonnenimpulser mat enger zentraler Wellelängt vun 910 nm (1,3 an der Figur 1) an 1054 nm Nanosekonnenimpulser, déi an den OPCPA-Gepompellaser (1,1 an 1,2 an der Figur 1) injizéiert goufen. D'Frontend garantéiert och d'Synchroniséierung vun dësen Impulser souwéi déi erfuerderlech Energie- a raumzäitlech Parameteren. En intermediären OPCPA, deen mat enger méi héijer Widderhuelungsrate (1 Hz) funktionéiert, verstärkt den gezwitscherten Impuls op Zénger Joule (2 an der Figur 1). Den Impuls gëtt weider vum Booster OPCPA zu engem eenzege Kilojoule-Strahl verstärkt an an 12 identesch Ënnerstraler opgedeelt (4 an der Figur 1). An de leschten 12 OPCPA gëtt all vun den 12 gezwitscherten Liichtimpulser op de Kilojoule-Niveau (5 an der Figur 1) verstärkt an dann duerch 12 Kompressiounsgitter kompriméiert (GC vu 6 an der Figur 1). Den akusto-optesche programméierbare Dispersiounsfilter gëtt am Frontend benotzt fir d'Gruppengeschwindegkeetsdispersioun an d'Dispersioun vun héijer Uerdnung präzis ze kontrolléieren, fir déi klengst méiglech Pulsbreet ze kréien. De Pulsspektrum huet eng Form vu bal 12. Uerdnung Supergauss, an d'Spektralbandbreet bei 1% vum maximale Wäert ass 150 nm, wat der Fourier-Transformatiounslimitpulsbreet vun 17 fs entsprécht. Ënner Berécksiichtegung vun der onvollstänneger Dispersiounskompensatioun an der Schwieregkeet vun der netlinearer Phasenkompensatioun a parametresche Verstärker ass déi erwaart Pulsbreet 20 fs.
Den XCELS-Laser wäert zwéi 8-Kanal UFL-2M Neodymglaslaserfrequenzverdueblungmoduler benotzen (3 an der Figur 1), vun deenen 13 Kanäl fir d'Booster OPCPA an 12 fir d'Finale OPCPA benotzt ginn. Déi reschtlech dräi Kanäl ginn als onofhängeg Nanosekonnen-Kilojoule-Pulsatioun benotzt.Laserquellenfir aner Experimenter. Limitéiert duerch den opteschen Duerchbrochschwellwäert vun den DKDP-Kristaller, gëtt d'Bestrahlungsintensitéit vum gepompelten Impuls op 1,5 GW/cm2 fir all Kanal festgeluecht an d'Dauer ass 3,5 ns.
All Kanal vum XCELS-Laser produzéiert Impulser mat enger Leeschtung vu 50 PW. Insgesamt liwweren 12 Kanäl eng total Ausgangsleeschtung vu 600 PW. An der Haaptzielkammer ass déi maximal Fokussierungsintensitéit vun all Kanal ënner idealen Bedéngungen 0,44×1025 W/cm2, ënner der Viraussetzung, datt F/1-Fokussierelementer fir d'Fokussierung benotzt ginn. Wann den Impuls vun all Kanal duerch d'Postkompressiounstechnik weider op 2,6 fs kompriméiert gëtt, gëtt déi entspriechend Ausgangsleeschtung vun den Impulser op 230 PW erhéicht, wat enger Liichtintensitéit vun 2,0×1025 W/cm2 entsprécht.
Fir eng méi grouss Liichtintensitéit z'erreechen, ginn d'Liichtimpulse bei enger Ausgangsleistung vu 600 PW an den 12 Kanäl an der Geometrie vun der inverser Dipolstralung fokusséiert, wéi an der Figur 2 gewisen. Wann d'Pulsphase an all Kanal net gespaart ass, kann d'Fokusintensitéit 9×1025 W/cm2 erreechen. Wann all Pulsphase gespaart a synchroniséiert ass, gëtt déi kohärent resultéierend Liichtintensitéit op 3,2×1026 W/cm2 erhéicht. Nieft dem Haaptzielraum ëmfaasst den XCELS-Projet bis zu 10 Benotzerlaboratoiren, déi all een oder méi Strale fir Experimenter kréien. Mat dësem extrem staarke Liichtfeld plangt den XCELS-Projet Experimenter a véier Kategorien duerchzeféieren: Quanteelektrodynamikprozesser an intensiven Laserfelder; D'Produktioun an d'Beschleunigung vu Partikelen; D'Generatioun vun sekundärer elektromagnetescher Stralung; Laborastrophysik, Prozesser mat héijer Energiedicht a diagnostesch Fuerschung.
FIG. 2 Fokusséierungsgeometrie an der Haaptzielkammer. Fir d'Kloerheet ass de parabolesche Spigel vum Stral 6 op transparent agestallt, an d'Input- an d'Output-Strahlen weisen nëmmen zwee Kanäl 1 an 7.
Figur 3 weist d'raimlech Opdeelung vun all funktionelle Beräich vum XCELS-Lasersystem am Experimentgebai. Elektrizitéit, Vakuumpompelen, Waasserbehandlung, Reinigung a Klimaanlag sinn am Keller ënnerbruecht. Déi total Baufläch ass méi wéi 24.000 m2. De gesamte Stroumverbrauch ass ongeféier 7,5 MW. D'Experimentgebai besteet aus engem internen, huele Gesamtrahmen an engem externen Deel, deen all op zwou entkoppelte Fundamenter gebaut ass. D'Vakuum- an aner vibratiounsinduzéierend Systemer sinn op der vibratiounsisoléierter Fundament installéiert, sou datt d'Amplitude vun der Stéierung, déi iwwer d'Fundament an d'Ënnerstëtzung op de Lasersystem iwwerdroe gëtt, am Frequenzberäich vun 1-200 Hz op manner wéi 10-10 g2/Hz reduzéiert gëtt. Zousätzlech ass en Netzwierk vu geodeetesche Referenzmarkéierungen an der Laserhal opgeriicht, fir d'Drift vum Buedem an der Ausrüstung systematesch ze iwwerwaachen.
D'XCELS-Projet zielt drop of, eng grouss wëssenschaftlech Fuerschungsanlag op Basis vu Laser mat extrem héijer Spëtzeleeschtung ze schafen. Ee Kanal vum XCELS-Lasersystem kéint eng fokusséiert Liichtintensitéit liwweren, déi e puermol méi héich ass wéi 1024 W/cm2, déi mat der Postkompressiounstechnologie ëm 1025 W/cm2 weider iwwerschratt ka ginn. Duerch Dipol-Fokusséierung vun Impulser vun 12 Kanäl am Lasersystem kann eng Intensitéit no bei 1026 W/cm2 erreecht ginn, och ouni Postkompressioun a Phasensperrung. Wann d'Phasensynchroniséierung tëscht de Kanälen gespaart ass, wäert d'Liichtintensitéit e puermol méi héich sinn. Mat dësen rekordbriechenden Impulsintensitéiten an dem Multikanal-Strahl-Layout wäert déi zukünfteg XCELS-Anlag fäeg sinn, Experimenter mat extrem héijer Intensitéit a komplexe Liichtfeldverdeelungen duerchzeféieren an Interaktioune mat Multikanal-Laserstralen a Sekundärstralung ze diagnostizéieren. Dëst wäert eng eenzegaarteg Roll am Beräich vun der experimenteller Physik vu superstaarke elektromagnetesche Felder spillen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 26. Mäerz 2024