Récemment, l'Institut de physique appliquée de l'Académie russe des sciences a introduit le EXAWATT Center for Extreme Light Study (XCELS), un programme de recherche pour les grands appareils scientifiques basés sur l'extrêmementlasers à haute puissance. Le projet comprend la construction d'un trèslaser haute puissanceBasé sur la technologie optique d'amplification par impulsion paramétrique paramétrique dans le phosphate de dideutérium à grande ouverture (DKDP, la formule chimique KD2PO4), avec une sortie totale attendue de 600 pw de puissance de pointe. Ce travail fournit des détails importants et des résultats de recherche sur le projet XCELS et ses systèmes laser, décrivant les applications et les impacts potentiels liés aux interactions de champ lumineux ultra-fort.
Le programme XCELS a été proposé en 2011 dans l'objectif initial d'atteindre une puissance de pointelaserSortie d'impulsion de 200 PW, qui est actuellement mise à niveau à 600 PW. C'estsystème laserrepose sur trois technologies clés:
(1) La technologie optique d'amplification par impulsion paramétrique (OPCPA) est utilisée à la place de l'amplification traditionnelle d'impulsions gazouillis (amplification d'impulsion gazouillis, OPCPA). CPA) Technologie;
(2) en utilisant le DKDP comme milieu de gain, la correspondance de phase ultra large bande est réalisée près de la longueur d'onde de 910 nm;
(3) Un laser en verre néodyme à grande ouverture avec une énergie d'impulsion de milliers de joules est utilisé pour pomper un amplificateur paramétrique.
La correspondance de phase ultra-large-bande est largement trouvée dans de nombreux cristaux et est utilisée dans les lasers Femtoseconde OPCPA. Les cristaux DKDP sont utilisés car ils sont les seuls matériaux trouvés dans la pratique qui peuvent être cultivés à des dizaines de centimètres d'ouverture et ont en même temps des qualités optiques acceptables pour soutenir l'amplification de la puissance multi-PWlasers. On constate que lorsque le cristal DKDP est pompé par la lumière à double fréquence du laser en verre ND, si la longueur d'onde porteuse de l'impulsion amplifiée est de 910 nm, les trois premiers termes de l'expansion de Taylor de l'inadéquation du vecteur d'onde sont 0.
La figure 1 est une disposition schématique du système laser XCELS. L'extrémité avant a généré des impulsions fémriques gazouillantes avec une longueur d'onde centrale de 910 nm (1,3 sur la figure 1) et des impulsions de nanoseconde 1054 nm injectées dans le laser pompé OPCPA (1,1 et 1,2 sur la figure 1). Le frontal assure également la synchronisation de ces impulsions ainsi que l'énergie requise et les paramètres spatio-temporels. Un OPCPA intermédiaire fonctionnant à un taux de répétition plus élevé (1 Hz) amplifie l'impulsion gazouillie à des dizaines de joules (2 sur la figure 1). L'impulsion est en outre amplifiée par le booster OPCPA en un seul faisceau de kilojoule et divisée en 12 sous-poutres identiques (4 sur la figure 1). Dans les 12 derniers OPCPA, chacune des 12 impulsions de lumière gazouillis est amplifiée au niveau de Kilojoule (5 sur la figure 1) puis compressée par 12 réseaux de compression (GC de 6 sur la figure 1). Le filtre de dispersion programmable acousto-optique est utilisé dans l'avant pour contrôler précisément la dispersion de la vitesse du groupe et la dispersion de haut niveau, afin d'obtenir la plus petite largeur d'impulsion possible. Le spectre d'impulsions a une forme de près de Supergauss de 12e ordre, et la bande passante spectrale à 1% de la valeur maximale est de 150 nm, correspondant à la largeur d'impulsion de limite de transformation de Fourier de 17 fs. Compte tenu de la compensation de dispersion incomplète et de la difficulté de compensation de phase non linéaire dans des amplificateurs paramétriques, la largeur d'impulsion attendue est de 20 fs.
Le laser XCELS utilisera deux modules de doublement de fréquence laser en verre néodyme UFL-2M à 8 canaux (3 sur la figure 1), dont 13 canaux seront utilisés pour pomper le booster OPCPA et 12 OPCPA final. Les trois canaux restants seront utilisés comme nanoseconde indépendante kilojoule pulsésources laserpour d'autres expériences. Limité par le seuil de panne optique des cristaux DKDP, l'intensité d'irradiation de l'impulsion pompée est définie sur 1,5 GW / cm2 pour chaque canal et la durée est de 3,5 ns.
Chaque canal du laser XCELS produit des impulsions avec une puissance de 50 PW. Un total de 12 canaux offrent une puissance de sortie totale de 600 PW. Dans la chambre cible principale, l'intensité de focalisation maximale de chaque canal dans des conditions idéales est de 0,44 × 1025 W / CM2, en supposant que les éléments de focalisation F / 1 sont utilisés pour la concentration. Si l'impulsion de chaque canal est en outre comprimée à 2,6 fs par technique de post-compression, la puissance d'impulsion de sortie correspondante sera augmentée à 230 PW, correspondant à l'intensité lumineuse de 2,0 × 1025 W / cm2.
Pour atteindre une plus grande intensité lumineuse, à 600 PW de sortie, les impulsions lumineuses dans les 12 canaux seront focalisées dans la géométrie du rayonnement dipolaire inverse, comme le montre la figure 2. Lorsque la phase d'impulsion dans chaque canal n'est pas verrouillée, l'intensité de mise au point peut atteindre 9 × 1025 w / cm2. Si chaque phase d'impulsion est verrouillée et synchronisée, l'intensité de lumière résultant cohérente sera augmentée à 3,2 × 1026 W / cm2. En plus de la salle cible principale, le projet XCELS comprend jusqu'à 10 laboratoires d'utilisateurs, chacun recevant un ou plusieurs poutres pour des expériences. En utilisant ce champ lumineux extrêmement fort, le projet XCELS prévoit de réaliser des expériences dans quatre catégories: processus d'électrodynamique quantique dans des champs laser intenses; La production et l'accélération des particules; La génération de rayonnement électromagnétique secondaire; Astrophysique de laboratoire, processus de densité de haute énergie et recherche diagnostique.
FIGUE. 2 Focus géométrie dans la chambre cible principale. Pour plus de clarté, le miroir parabolique du faisceau 6 est réglé sur transparent, et les faisceaux d'entrée et de sortie ne montrent que deux canaux 1 et 7
La figure 3 montre la disposition spatiale de chaque zone fonctionnelle du système laser XCELS dans le bâtiment expérimental. L'électricité, les pompes à vide, le traitement de l'eau, la purification et la climatisation sont situées au sous-sol. La zone de construction totale est supérieure à 24 000 m2. La consommation d'énergie totale est d'environ 7,5 MW. Le bâtiment expérimental se compose d'un cadre global creux interne et d'une section externe, chacun construit sur deux fondations découplées. Le vide et d'autres systèmes induisant les vibrations sont installés sur le fond de teint isolé des vibrations, de sorte que l'amplitude de la perturbation transmise au système laser par la fondation et le support soit réduite à moins de 10-10 G2 / Hz dans la plage de fréquences de 1-200 Hz. De plus, un réseau de marqueurs de référence géodésique est mis en place dans la salle laser pour surveiller systématiquement la dérive du sol et de l'équipement.
Le projet XCELS vise à créer une grande installation de recherche scientifique basée sur des lasers de puissance de pointe extrêmement élevés. Un canal du système laser XCELS peut fournir une intensité de lumière focalisée plusieurs fois supérieure à 1024 W / CM2, ce qui peut être dépassé de 1025 W / CM2 avec une technologie de post-compression. Par des impulsions en focalisation dipolaire de 12 canaux dans le système laser, une intensité proche de 1026 W / CM2 peut être obtenue même sans post-compression et verrouillage de phase. Si la synchronisation de phase entre les canaux est verrouillée, l'intensité lumineuse sera plusieurs fois plus élevée. En utilisant ces intensités d'impulsions records et la disposition des faisceaux multicanaux, la future installation XCELS sera en mesure d'effectuer des expériences avec une intensité extrêmement élevée, des distributions de champ d'éclairage complexes et diagnostiquer les interactions en utilisant des faisceaux laser multiples et des rayonnements secondaires. Cela jouera un rôle unique dans le domaine de la physique expérimentale sur le terrain électromagnétique super fort.
Heure du poste: mars-26-2024