Récemment, l'Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie a lancé le Centre eXawatt pour l'étude de la lumière extrême (XCELS), un programme de recherche sur les grands dispositifs scientifiques basé sur des technologies extrêmement lumineuses.lasers haute puissance. Le projet comprend la construction d'un trèslaser haute puissancebasé sur la technologie d'amplification d'impulsions paramétriques optiques dans des cristaux de phosphate de dideutérium de potassium à grande ouverture (DKDP, formule chimique KD2PO4), avec une sortie totale attendue d'impulsions de puissance de crête de 600 PW. 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 pour objectif initial d'atteindre une puissance de pointelasersortie d'impulsion de 200 PW, qui est actuellement mise à niveau à 600 PW. C'estsystème lasers'appuie sur trois technologies clés :
(1) La technologie d’amplification optique paramétrique d’impulsions chirpées (OPCPA) est utilisée à la place de l’amplification traditionnelle d’impulsions chirpées (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). technologie CPA);
(2) En utilisant DKDP comme support 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 plusieurs milliers de joules est utilisé pour pomper un amplificateur paramétrique.
L'adaptation de phase à bande ultra large est largement présente dans de nombreux cristaux et est utilisée dans les lasers femtoseconde OPCPA. Les cristaux DKDP sont utilisés car ils sont le seul matériau trouvé dans la pratique qui peut atteindre des dizaines de centimètres d'ouverture et qui possède en même temps des qualités optiques acceptables pour prendre en charge 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 du désappariement du vecteur d'onde sont 0.
La figure 1 est une présentation schématique du système laser XCELS. L'extrémité avant a généré des impulsions femtosecondes gazouillées avec une longueur d'onde centrale de 910 nm (1,3 sur la figure 1) et des impulsions nanosecondes de 1 054 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 les paramètres énergétiques et spatio-temporels requis. Un OPCPA intermédiaire fonctionnant à un taux de répétition plus élevé (1 Hz) amplifie l'impulsion gazouillée jusqu'à des dizaines de joules (2 sur la figure 1). L'impulsion est encore amplifiée par le Booster OPCPA en un seul faisceau kilojoule et divisée en 12 sous-faisceaux identiques (4 sur la figure 1). Dans les 12 OPCPA finaux, chacune des 12 impulsions lumineuses gazouillées est amplifiée au niveau du 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 à l'avant pour contrôler avec précision la dispersion de vitesse de groupe et la dispersion d'ordre élevé, de manière à obtenir la plus petite largeur d'impulsion possible. Le spectre des impulsions a une forme de 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 de dispersion incomplète 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 néodyme UFL-2M à 8 canaux (3 sur la figure 1), dont 13 canaux seront utilisés pour pomper le Booster OPCPA et 12 OPCPA finaux. Les trois canaux restants seront utilisés comme impulsions de kilojoules nanosecondes indépendantessource 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. Un total de 12 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 F/1 soient utilisés pour la focalisation. Si l'impulsion de chaque canal est davantage compressée 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 obtenir une plus grande intensité lumineuse, à une puissance de 600 PW, 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 focalisation peut atteindre 9×1025 W/cm2. Si chaque phase d'impulsion est verrouillée et synchronisée, l'intensité lumineuse cohérente résultante sera augmentée à 3,2 × 1026 W/cm2. En plus de la salle cible principale, le projet XCELS comprend jusqu'à 10 laboratoires utilisateurs, chacun recevant un ou plusieurs faisceaux pour les expériences. Utilisant ce champ lumineux extrêmement puissant, 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 de particules ; La génération de rayonnement électromagnétique secondaire ; Astrophysique de laboratoire, procédés à haute densité énergétique et recherche diagnostique.
FIGUE. 2 Géométrie de mise au point 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, l'épuration et la climatisation sont situés au sous-sol. La superficie totale de construction est de plus de 24 000 m2. La consommation électrique totale est d'environ 7,5 MW. Le bâtiment expérimental est constitué d'une charpente globale creuse interne et d'une section externe, chacune construite sur deux fondations découplées. Le vide et d'autres systèmes induisant des vibrations sont installés sur la fondation isolée des vibrations, de sorte que l'amplitude de la perturbation transmise au système laser à travers 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 repères géodésiques de référence est mis en place dans le hall laser pour suivre 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 puissance de crête extrêmement élevée. Un canal du système laser XCELS peut fournir une intensité lumineuse focalisée plusieurs fois supérieure à 1 024 W/cm2, qui peut être encore dépassée de 1 025 W/cm2 avec la technologie de post-compression. Grâce aux impulsions de focalisation dipolaire provenant de 12 canaux du système laser, une intensité proche de 1 026 W/cm2 peut être obtenue 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'impulsion record et à la disposition des faisceaux multicanaux, la future installation XCELS sera en mesure de réaliser des expériences avec des distributions de champs lumineux complexes et d'intensité extrêmement élevée, et de diagnostiquer les interactions à l'aide de faisceaux laser multicanaux et de rayonnements secondaires. Cela jouera un rôle unique dans le domaine de la physique expérimentale des champs électromagnétiques ultra-puissants.
Heure de publication : 26 mars 2024