Recentemente, l'Istitutu di Fisica Applicata di l'Accademia Russa di Scienze hà introduttu u Centru eXawatt per u Studiu di a Luce Estrema (XCELS), un prugramma di ricerca per grandi dispositivi scientifichi basati nantu à luce estremamente...laser d'alta putenzaU prugettu include a custruzzione di un assailaser d'alta putenzabasatu annantu à a tecnulugia di amplificazione di impulsi cinguettati parametrichi ottichi in cristalli di fosfatu di dideuteriu di potassiu à grande apertura (DKDP, formula chimica KD2PO4), cù una pruduzzione tutale prevista di 600 impulsi di putenza di piccu PW. Stu travagliu furnisce dettagli impurtanti è risultati di ricerca nantu à u prughjettu XCELS è i so sistemi laser, descrivendu l'applicazioni è l'impatti putenziali ligati à l'interazzione di campi luminosi ultra-forti.
U prugramma XCELS hè statu prupostu in u 2011 cù l'ubbiettivu iniziale di ottene una putenza di piccu.laseruscita à impulsi di 200 PW, chì hè attualmente aghjurnata à 600 PW. U sosistema lasersi basa nantu à trè tecnulugie chjave:
(1) A tecnulugia di amplificazione di impulsi cinguettati parametrichi ottici (OPCPA) hè aduprata invece di a tecnulugia tradiziunale di amplificazione di impulsi cinguettati (Amplificazione di impulsi cinguettati, OPCPA). CPA);
(2) Utilizendu DKDP cum'è mezu di guadagnu, l'adattazione di fase à banda ultra larga hè realizata vicinu à a lunghezza d'onda di 910 nm;
(3) Un laser di vetru di neodimio à grande apertura cù una energia d'impulsu di migliaia di joule hè adupratu per pompà un amplificatore parametricu.
L'adattazione di fase à banda ultra larga hè largamente truvata in parechji cristalli è hè aduprata in i laser à femtosecondi OPCPA. I cristalli DKDP sò aduprati perchè sò l'unicu materiale truvatu in pratica chì pò esse cresciutu finu à decine di centimetri d'apertura è à u listessu tempu anu qualità ottiche accettabili per supportà l'amplificazione di a putenza multi-PW.laserSi trova chì quandu u cristallu DKDP hè pompatu da a luce à doppia frequenza di u laser di vetru ND, se a lunghezza d'onda portante di l'impulsu amplificatu hè 910 nm, i primi trè termini di l'espansione di Taylor di a discrepanza di u vettore d'onda sò 0.
A Figura 1 hè un schema di u sistema laser XCELS. A parte anteriore hà generatu impulsi di femtosecondi cinguettati cù una lunghezza d'onda cintrale di 910 nm (1,3 in a Figura 1) è impulsi di 1054 nm di nanosecondi iniettati in u laser pompato OPCPA (1,1 è 1,2 in a Figura 1). A parte anteriore assicura ancu a sincronizazione di questi impulsi è ancu l'energia necessaria è i parametri spatiotemporali. Un OPCPA intermediu chì funziona à una frequenza di ripetizione più alta (1 Hz) amplifica l'impulsu cinguettatu à decine di joule (2 in a Figura 1). L'impulsu hè ulteriormente amplificatu da l'OPCPA Booster in un unicu fasciu di kilojoule è divisu in 12 sottofasci identichi (4 in a Figura 1). In l'ultimi 12 OPCPA, ognunu di i 12 impulsi di luce cinguettati hè amplificatu à u livellu di kilojoule (5 in a Figura 1) è poi cumpressu da 12 reticoli di compressione (GC di 6 in a Figura 1). U filtru di dispersione programmabile acusto-otticu hè utilizatu in u front-end per cuntrullà precisamente a dispersione di a velocità di gruppu è a dispersione d'ordine altu, in modu da ottene a larghezza d'impulsu più chjuca pussibule. U spettru di l'impulsu hà una forma di quasi un supergauss di 12u ordine, è a larghezza di banda spettrale à 1% di u valore massimu hè 150 nm, chì currisponde à a larghezza d'impulsu limite di a trasformata di Fourier di 17 fs. Cunsiderendu a compensazione di a dispersione incompleta è a difficultà di a compensazione di fase non lineare in l'amplificatori parametrichi, a larghezza d'impulsu prevista hè di 20 fs.
U laser XCELS impiegherà dui moduli di radduppiamentu di frequenza laser in vetru di neodimio UFL-2M à 8 canali (3 in a Figura 1), di i quali 13 canali saranu aduprati per pompà l'OPCPA Booster è 12 OPCPA finali. I trè canali rimanenti saranu aduprati cum'è impulsi indipendenti di nanosecondi kilojoule.fonti laserper altri esperimenti. Limitata da a soglia di rottura ottica di i cristalli DKDP, l'intensità di irradiazione di l'impulsu pompato hè fissata à 1,5 GW/cm2 per ogni canale è a durata hè di 3,5 ns.
Ogni canale di u laser XCELS produce impulsi cù una putenza di 50 PW. Un totale di 12 canali furnisce una putenza di uscita tutale di 600 PW. In a camera di destinazione principale, l'intensità massima di focalizazione di ogni canale in cundizioni ideali hè 0,44 × 1025 W/cm2, supponendu chì l'elementi di focalizazione F/1 sianu aduprati per a focalizazione. Se l'impulsu di ogni canale hè ulteriormente cumpressu à 2,6 fs per via di a tecnica di post-compressione, a putenza di l'impulsu di uscita currispondente serà aumentata à 230 PW, currispondente à l'intensità luminosa di 2,0 × 1025 W/cm2.
Per ottene una intensità luminosa più grande, à una putenza di 600 PW, l'impulsi luminosi in i 12 canali saranu focalizzati in a geometria di a radiazione di dipolo inversu, cum'è mostratu in a Figura 2. Quandu a fase di l'impulsu in ogni canale ùn hè micca bluccata, l'intensità di u focu pò ghjunghje à 9 × 10²⁵ W/cm². Se ogni fase di l'impulsu hè bluccata è sincronizata, l'intensità luminosa risultante coerente serà aumentata à 3,2 × 10²⁶ W/cm². In più di a stanza principale di destinazione, u prughjettu XCELS include finu à 10 laboratorii d'utilizatori, ognunu di i quali riceve unu o più fasci per esperimenti. Utilizendu questu campu luminosu estremamente forte, u prughjettu XCELS prevede di realizà esperimenti in quattru categurie: prucessi d'elettrodinamica quantistica in campi laser intensi; A pruduzzione è l'accelerazione di particelle; A generazione di radiazione elettromagnetica secundaria; Astrofisica di laburatoriu, prucessi d'alta densità energetica è ricerca diagnostica.
FIG. 2 Geometria di focalizazione in a camera principale di u bersagliu. Per chiarezza, u specchiu parabolicu di u fasciu 6 hè impostu à trasparente, è i fasci d'entrata è di uscita mostranu solu dui canali 1 è 7.
A figura 3 mostra a dispusizione spaziale di ogni zona funziunale di u sistema laser XCELS in l'edifiziu sperimentale. L'elettricità, e pompe à vuoto, u trattamentu di l'acqua, a purificazione è l'aria condizionata sò situati in u sotterraniu. A superficia tutale di custruzzione hè più di 24.000 m2. U cunsumu tutale di putenza hè di circa 7,5 MW. L'edifiziu sperimentale hè custituitu da una struttura generale cava interna è una sezione esterna, ognuna custruita nantu à duie fundazioni disaccoppiate. U sistema à vuoto è altri sistemi chì inducenu vibrazioni sò installati nantu à a fundazione isolata da vibrazioni, in modu chì l'ampiezza di u disturbu trasmessu à u sistema laser attraversu a fundazione è u supportu hè ridutta à menu di 10-10 g2/Hz in a gamma di frequenza di 1-200 Hz. Inoltre, una rete di marcatori di riferimentu geodetici hè stallata in a sala laser per monitorà sistematicamente a deriva di u terrenu è di l'attrezzatura.
U prugettu XCELS hà per scopu di creà una grande struttura di ricerca scientifica basata annantu à laser di putenza di piccu estremamente alta. Un canale di u sistema laser XCELS pò furnisce una intensità luminosa focalizzata parechje volte superiore à 1024 W/cm2, chì pò esse superata ancu di 1025 W/cm2 cù a tecnulugia di post-compressione. Focalizendu impulsi di dipolo da 12 canali in u sistema laser, si pò ottene una intensità vicina à 1026 W/cm2 ancu senza post-compressione è bloccu di fase. Se a sincronizazione di fase trà i canali hè bluccata, l'intensità luminosa serà parechje volte più alta. Utilizendu queste intensità di impulsi record è a disposizione di u fasciu multicanale, a futura struttura XCELS serà capace di realizà esperimenti cù distribuzioni di campi luminosi cumplessi è di intensità estremamente alta, è di diagnosticà l'interazioni utilizendu fasci laser multicanale è radiazioni secundarie. Questu ghjucherà un rolu unicu in u campu di a fisica sperimentale di campi elettromagnetichi super-forti.
Data di publicazione: 26 di marzu di u 2024