Récemment, l'Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie a présenté le Centre eXawatt pour l'étude de la lumière extrême (XCELS), un programme de recherche pour les grands dispositifs scientifiques basés sur deslasers de haute puissanceLe projet comprend la construction d'un trèslaser haute puissanceBasé sur une technologie d'amplification d'impulsions paramétriques optiques à dérive de fréquence dans des cristaux de phosphate de dideutérium de potassium (DKDP, formule chimique KD2PO4) à grande ouverture, avec une puissance totale attendue de 600 PW par impulsions de puissance crête. 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 champs lumineux ultra-forts.
Le programme XCELS a été proposé en 2011 avec l'objectif initial d'atteindre une puissance de pointelasersortie d'impulsions de 200 PW, qui est actuellement mise à niveau à 600 PW. Sonsystème lasers'appuie sur trois technologies clés :
(1) La technologie d'amplification d'impulsions paramétriques optiques (OPCPA) est utilisée à la place de la technologie d'amplification d'impulsions paramétriques traditionnelle (OPCPA). CPA) ;
(2) En utilisant le DKDP comme milieu de gain, l'adaptation de phase à bande ultra large est réalisée à une longueur d'onde proche 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.
L'adaptation de phase à bande ultra-large est largement répandue dans de nombreux cristaux et est utilisée dans les lasers femtosecondes OPCPA. Les cristaux DKDP sont utilisés car ils constituent le seul matériau disponible en pratique capable de croître jusqu'à des dizaines de centimètres d'ouverture tout en présentant des qualités optiques acceptables pour l'amplification de puissance multi-PW.lasers. 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 du développement de Taylor de l'inadéquation du vecteur d'onde sont 0.
La figure 1 présente un schéma du système laser XCELS. Le circuit frontal génère des impulsions femtosecondes chirpées d'une longueur d'onde centrale de 910 nm (1,3 sur la figure 1) et des impulsions nanosecondes de 1054 nm injectées dans le laser pompé par OPCPA (1,1 et 1,2 sur la figure 1). Le circuit frontal assure également la synchronisation de ces impulsions ainsi que les paramètres énergétiques et spatiotemporels requis. Un OPCPA intermédiaire fonctionnant à une fréquence de répétition plus élevée (1 Hz) amplifie l'impulsion chirpée jusqu'à des dizaines de joules (2 sur la figure 1). L'impulsion est ensuite amplifiée par l'OPCPA Booster en un faisceau unique de kilojoules, puis divisée en 12 sous-faisceaux identiques (4 sur la figure 1). Dans les 12 OPCPA finaux, chacune des 12 impulsions lumineuses chirpées est amplifiée jusqu'au niveau kilojoule (5 sur la figure 1), puis compressée par 12 réseaux de compression (GC sur 6 sur la figure 1). Le filtre de dispersion programmable acousto-optique est utilisé en amont pour contrôler précisément la dispersion de vitesse de groupe et la dispersion d'ordre élevé, afin d'obtenir la largeur d'impulsion la plus faible possible. Le spectre d'impulsion a une forme proche du supergauss d'ordre 12, et la bande passante spectrale à 1 % de la valeur maximale est de 150 nm, ce qui correspond à la largeur d'impulsion limite de la transformée de Fourier de 17 fs. Compte tenu de la compensation incomplète de la dispersion et de la difficulté de la compensation de phase non linéaire dans les amplificateurs paramétriques, la largeur d'impulsion attendue est de 20 fs.
Le laser XCELS utilisera deux modules doubleurs de fréquence laser en verre néodyme UFL-2M à 8 canaux (3 sur la figure 1), dont 13 canaux serviront au pompage de l'OPCPA Booster et 12 à l'OPCPA Final. Les trois canaux restants seront utilisés comme impulsions indépendantes nanosecondes-kilojoules.sources laserpour d'autres expériences. Limitée par le seuil de claquage optique des cristaux DKDP, l'intensité d'irradiation de l'impulsion pompée est fixée à 1,5 GW/cm² pour chaque canal et la durée est de 3,5 ns.
Chaque canal du laser XCELS produit des impulsions d'une puissance de 50 PW. Douze canaux fournissent 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 des éléments de focalisation à f/1 soient utilisés. Si l'impulsion de chaque canal est comprimée à 2,6 fs par post-compression, la puissance de sortie correspondante est portée à 230 PW, soit une intensité lumineuse de 2,0 × 1025 W/cm².
Pour obtenir une plus grande intensité lumineuse, à une puissance de sortie de 600 PW, les impulsions lumineuses des 12 canaux seront focalisées selon la géométrie du rayonnement dipolaire inverse, comme illustré à la figure 2. Lorsque la phase d'impulsion de chaque canal n'est pas verrouillée, l'intensité de focalisation peut atteindre 9 × 1025 W/cm². Si chaque phase d'impulsion est verrouillée et synchronisée, l'intensité lumineuse résultante cohérente sera portée à 3,2 × 1026 W/cm². Outre la salle cible principale, le projet XCELS comprend jusqu'à 10 laboratoires utilisateurs, chacun recevant un ou plusieurs faisceaux pour des expériences. En utilisant ce champ lumineux extrêmement puissant, le projet XCELS prévoit de mener des expériences dans quatre catégories : les processus d'électrodynamique quantique dans les champs laser intenses ; la production et l'accélération de particules ; la génération de rayonnement électromagnétique secondaire ; l'astrophysique de laboratoire, les processus à haute densité énergétique et la recherche diagnostique.
FIG. 2 Géométrie de focalisation 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 présentent que les deux canaux 1 et 7.
La figure 3 illustre 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 situés au sous-sol. La surface totale de construction dépasse 24 000 m². La consommation électrique totale est d'environ 7,5 MW. Le bâtiment expérimental est constitué d'une ossature intérieure creuse et d'une section extérieure, chacune reposant sur deux fondations découplées. Le vide et les autres systèmes vibratoires sont installés sur ces fondations isolées, de sorte que l'amplitude des perturbations transmises au système laser par les fondations et les supports est réduite à moins de 10-10 g²/Hz dans la gamme de fréquences de 1 à 200 Hz. De plus, un réseau de repères géodésiques est installé dans la salle laser afin de surveiller systématiquement la dérive du sol et des équipements.
Le projet XCELS vise à créer une grande installation de recherche scientifique basée sur des lasers à très haute puissance crête. Un canal du système laser XCELS peut fournir une intensité lumineuse focalisée plusieurs fois supérieure à 1024 W/cm², pouvant être encore dépassée de 1025 W/cm² grâce à la technologie de post-compression. La focalisation dipolaire des impulsions des 12 canaux du système laser permet d'atteindre une intensité proche de 1026 W/cm², même sans post-compression ni verrouillage de phase. Si la synchronisation de phase entre les canaux est verrouillée, l'intensité lumineuse sera plusieurs fois supérieure. Grâce à ces intensités d'impulsions record et à la configuration multicanal du faisceau, la future installation XCELS sera capable de réaliser des expériences avec des distributions de champ lumineux complexes et de très haute intensité, et de diagnostiquer les interactions à l'aide de faisceaux laser multicanaux et de rayonnement secondaire. Cela jouera un rôle unique dans le domaine de la physique expérimentale des champs électromagnétiques super-puissants.
Date de publication : 26 mars 2024