L'Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie a récemment inauguré le Centre eXawatt d'étude de la lumière extrême (XCELS), un programme de recherche pour les grands dispositifs scientifiques basés sur des technologies extrêmement puissantes.lasers de haute puissanceLe projet comprend la construction d'un trèslaser de haute puissanceCe travail présente des informations détaillées et des résultats de recherche importants concernant le projet XCELS et ses systèmes laser. Il décrit les applications et les impacts potentiels liés aux interactions de champs lumineux ultra-intenses. Ce laser repose sur une technologie d'amplification paramétrique optique d'impulsions modulées en fréquence dans des cristaux de phosphate dideutérique de potassium (DKDP, formule chimique KD₂PO₄) de grande ouverture, avec une puissance de sortie totale attendue de 600 PW par impulsions de crête.
Le programme XCELS a été proposé en 2011 avec l'objectif initial d'atteindre une puissance de pointelaserPuissance de sortie par impulsions de 200 PW, actuellement portée à 600 PW.système laserrepose sur trois technologies clés :
(1) La technologie d'amplification paramétrique optique à impulsions chirées (OPCPA) est utilisée à la place de la technologie d'amplification à impulsions chirées traditionnelle (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). CPA) ;
(2) En utilisant le DKDP comme milieu de gain, une correspondance de phase ultra large bande est réalisée près de la longueur d'onde de 910 nm ;
(3) Un laser en verre au néodyme à grande ouverture avec une énergie d'impulsion de milliers de joules est utilisé pour pomper un amplificateur paramétrique.
L'accord de phase à très large bande est largement répandu dans de nombreux cristaux et utilisé dans les lasers femtoseconde OPCPA. Les cristaux DKDP sont utilisés car ils sont les seuls matériaux disponibles en pratique qui peuvent être cultivés sur des ouvertures de plusieurs dizaines de centimètres tout en présentant des qualités optiques acceptables pour supporter l'amplification d'une puissance de plusieurs picowatts.lasersIl s'avère 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 du désaccord du vecteur d'onde sont nuls.
La figure 1 présente un schéma du système laser XCELS. L'étage d'entrée 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). Cet étage assure également la synchronisation de ces impulsions ainsi que l'énergie et les paramètres spatio-temporels requis. Un OPCPA intermédiaire, fonctionnant à une fréquence de répétition plus élevée (1 Hz), amplifie l'impulsion chirpée jusqu'à plusieurs 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 l'OPCPA final, chacune des 12 impulsions lumineuses chirpées est amplifiée jusqu'à l'échelle du kilojoule (5 sur la figure 1), puis comprimée par 12 réseaux de compression (GC de 6 sur la figure 1). Un filtre de dispersion programmable acousto-optique est utilisé en entrée pour contrôler précisément la dispersion de vitesse de groupe et la dispersion d'ordre supérieur, afin d'obtenir la largeur d'impulsion la plus courte possible. Le spectre de l'impulsion présente une forme quasi-supergaussienne d'ordre 12, et sa largeur spectrale à 1 % de la valeur maximale est de 150 nm, ce qui correspond à une largeur d'impulsion limite de 17 fs après transformation de Fourier. 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 de doublage de fréquence laser en verre au néodyme UFL-2M à 8 canaux (3 sur la figure 1), dont 13 canaux serviront à pomper l'OPCPA Booster et 12 l'OPCPA final. Les trois canaux restants seront utilisés comme lasers pulsés nanosecondes kilojoules indépendants.sources laserPour d'autres expériences, l'intensité d'irradiation de l'impulsion de pompage est fixée à 1,5 GW/cm2 pour chaque canal, en raison du seuil de claquage optique des cristaux DKDP, et sa durée est de 3,5 ns.
Chaque canal du laser XCELS produit des impulsions d'une puissance de 50 PW. Les 12 canaux fournissent une puissance de sortie totale de 600 PW. Dans la chambre cible principale, l'intensité focalisée maximale de chaque canal, dans des conditions idéales (avec des éléments de focalisation F/1), est de 0,44 × 10²⁵ W/cm². Si l'impulsion de chaque canal est comprimée à 2,6 fs par post-compression, sa puissance de sortie atteint 230 PW, soit une intensité lumineuse de 2,0 × 10²⁵ W/cm².
Pour obtenir une intensité lumineuse plus élevée, à une puissance de sortie de 600 PW, les impulsions lumineuses des 12 canaux seront focalisées selon la géométrie d'un rayonnement dipolaire inverse, comme illustré sur la figure 2. Lorsque la phase des impulsions dans chaque canal n'est pas verrouillée, l'intensité focale peut atteindre 9 × 10²⁵ W/cm². Si la phase de chaque 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 ses expériences. Grâce à ce champ lumineux extrêmement intense, le projet XCELS prévoit de mener des expériences dans quatre domaines : 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 d'énergie et la recherche diagnostique.
FIG. 2 Géométrie de focalisation dans la chambre cible principale. Par souci 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 illustre l'agencement spatial des différentes zones fonctionnelles du système laser XCELS dans le bâtiment expérimental. Les installations électriques, les pompes à vide, le traitement et la purification de l'eau, ainsi que la climatisation sont situés au sous-sol. La surface totale construite dépasse 24 000 m². La consommation électrique totale est d'environ 7,5 MW. Le bâtiment expérimental se compose d'une structure interne creuse et d'une partie externe, chacune reposant sur deux fondations désolidarisées. Les systèmes de vide et autres sources de vibrations sont installés sur la fondation antivibratoire, ce qui permet de réduire l'amplitude des perturbations transmises au système laser par la fondation et les supports à moins de 10⁻¹⁰ g²/Hz dans la gamme de fréquences de 1 à 200 Hz. Par ailleurs, un réseau de repères géodésiques a été mis en place dans la salle laser afin de contrôler systématiquement la dérive du sol et des équipements.
Le projet XCELS vise à créer une importante installation de recherche scientifique basée sur des lasers de très haute puissance crête. Un canal du système laser XCELS peut fournir une intensité lumineuse focalisée plusieurs fois supérieure à 10²⁴ W/cm², et même dépasser 10²⁵ W/cm² grâce à la post-compression. En focalisant les impulsions par dipôle à partir de 12 canaux du système laser, une intensité proche de 10²⁶ W/cm² peut être atteinte, même sans post-compression ni verrouillage de phase. Si la synchronisation de phase entre les canaux est réalisée, l'intensité lumineuse sera encore plusieurs fois supérieure. Grâce à ces intensités d'impulsion record et à la configuration multicanaux des faisceaux, la future installation XCELS permettra de réaliser des expériences avec des intensités extrêmement élevées et des distributions de champs lumineux complexes, et de diagnostiquer les interactions à l'aide de faisceaux laser multicanaux et du rayonnement secondaire. Elle jouera un rôle unique dans le domaine de la physique expérimentale des champs électromagnétiques ultra-intenses.
Date de publication : 26 mars 2024