Baru-baru ini, Institut Fisika Terapan dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia memperkenalkan eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS), sebuah program penelitian untuk perangkat ilmiah besar berdasarkan teknologi ekstrim.laser berdaya tinggi. Proyek ini mencakup pembangunan yang sangatlaser berdaya tinggiberdasarkan teknologi amplifikasi pulsa parametrik optik dalam kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, rumus kimia KD2PO4) bukaan besar, dengan total output yang diharapkan sebesar pulsa daya puncak 600 PW. Karya ini memberikan rincian penting dan temuan penelitian tentang proyek XCELS dan sistem lasernya, menjelaskan aplikasi dan potensi dampak terkait interaksi medan cahaya ultra-kuat.
Program XCELS diusulkan pada tahun 2011 dengan tujuan awal mencapai kekuatan puncaklaseroutput pulsa 200 PW, yang saat ini ditingkatkan menjadi 600 PW. Diasistem laserbergantung pada tiga teknologi utama:
(1) Teknologi Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) digunakan sebagai pengganti Chirped Pulse Amplification tradisional (Chirped Pulse Amplification, OPCPA). teknologi BPA);
(2) Dengan menggunakan DKDP sebagai media penguatan, pencocokan fase pita lebar ultra diwujudkan di dekat panjang gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium bukaan besar dengan energi pulsa ribuan joule digunakan untuk memompa penguat parametrik.
Pencocokan fase pita lebar ultra banyak ditemukan di banyak kristal dan digunakan dalam laser femtodetik OPCPA. Kristal DKDP digunakan karena merupakan satu-satunya bahan yang ditemukan dalam praktik yang dapat ditumbuhkan hingga bukaan puluhan sentimeter dan pada saat yang sama memiliki kualitas optik yang dapat diterima untuk mendukung amplifikasi daya multi-PW.laser. Diketahui bahwa ketika kristal DKDP dipompa oleh cahaya frekuensi ganda dari laser kaca ND, jika panjang gelombang pembawa pulsa yang diperkuat adalah 910 nm, tiga suku pertama ekspansi Taylor dari ketidakcocokan vektor gelombang adalah 0.
Gambar 1 adalah tata letak skema sistem laser XCELS. Ujung depan menghasilkan pulsa femtodetik berkicau dengan panjang gelombang pusat 910 nm (1,3 pada Gambar 1) dan pulsa nanodetik 1054 nm yang disuntikkan ke laser yang dipompa OPCPA (1,1 dan 1,2 pada Gambar 1). Bagian depan juga memastikan sinkronisasi pulsa ini serta energi yang diperlukan dan parameter spatiotemporal. OPCPA perantara yang beroperasi pada tingkat pengulangan yang lebih tinggi (1 Hz) memperkuat pulsa kicau hingga puluhan joule (2 pada Gambar 1). Pulsa selanjutnya diperkuat oleh Booster OPCPA menjadi satu berkas kilojoule dan dibagi menjadi 12 sub-balok identik (4 pada Gambar 1). Dalam 12 OPCPA terakhir, masing-masing dari 12 pulsa cahaya yang dikicaukan diperkuat ke tingkat kilojoule (5 pada Gambar 1) dan kemudian dikompresi oleh 12 kisi kompresi (GC dari 6 pada Gambar 1). Filter dispersi akustik-optik yang dapat diprogram digunakan di ujung depan untuk secara tepat mengontrol dispersi kecepatan grup dan dispersi orde tinggi, sehingga memperoleh lebar pulsa sekecil mungkin. Spektrum pulsa memiliki bentuk supergauss orde ke-12, dan bandwidth spektral pada 1% dari nilai maksimum adalah 150 nm, sesuai dengan lebar pulsa batas transformasi Fourier sebesar 17 fs. Mengingat kompensasi dispersi yang tidak lengkap dan kesulitan kompensasi fase nonlinier pada penguat parametrik, lebar pulsa yang diharapkan adalah 20 fs.
Laser XCELS akan menggunakan dua modul pengganda frekuensi laser kaca neodymium UFL-2M 8 saluran (3 pada Gambar 1), dimana 13 saluran akan digunakan untuk memompa Booster OPCPA dan 12 OPCPA akhir. Tiga saluran sisanya akan digunakan sebagai pulsa kilojoule nanodetik independensumber laseruntuk eksperimen lainnya. Dibatasi oleh ambang kerusakan optik kristal DKDP, intensitas iradiasi pulsa yang dipompa diatur ke 1,5 GW/cm2 untuk setiap saluran dan durasinya 3,5 ns.
Setiap saluran laser XCELS menghasilkan pulsa dengan kekuatan 50 PW. Sebanyak 12 saluran memberikan total daya keluaran 600 PW. Di ruang target utama, intensitas pemfokusan maksimum setiap saluran dalam kondisi ideal adalah 0,44×1025 W/cm2, dengan asumsi elemen pemfokusan F/1 digunakan untuk pemfokusan. Jika pulsa setiap saluran dikompresi lebih lanjut menjadi 2,6 fs dengan teknik pasca-kompresi, daya pulsa keluaran yang sesuai akan ditingkatkan menjadi 230 PW, sesuai dengan intensitas cahaya 2,0×1025 W/cm2.
Untuk mencapai intensitas cahaya yang lebih besar, pada keluaran 600 PW, pulsa cahaya di 12 saluran akan difokuskan dalam geometri radiasi dipol terbalik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika fase pulsa di setiap saluran tidak terkunci, intensitas fokus dapat mencapai 9×1025 W/cm2. Jika setiap fase pulsa dikunci dan disinkronkan, intensitas cahaya yang dihasilkan koheren akan ditingkatkan menjadi 3,2×1026 W/cm2. Selain ruang target utama, proyek XCELS mencakup hingga 10 laboratorium pengguna, masing-masing menerima satu atau lebih sinar untuk eksperimen. Dengan menggunakan medan cahaya yang sangat kuat ini, proyek XCELS berencana melakukan eksperimen dalam empat kategori: proses elektrodinamika kuantum dalam bidang laser yang intens; Produksi dan percepatan partikel; Pembangkitan radiasi elektromagnetik sekunder; Astrofisika laboratorium, proses kepadatan energi tinggi dan penelitian diagnostik.
ARA. 2 Memfokuskan geometri pada ruang target utama. Untuk kejelasan, cermin parabola balok 6 diatur ke transparan, dan berkas masukan dan keluaran hanya menampilkan dua saluran 1 dan 7
Gambar 3 menunjukkan tata ruang setiap area fungsional sistem laser XCELS di gedung percobaan. Listrik, pompa vakum, pengolahan air, pemurnian, dan AC terletak di ruang bawah tanah. Total luas konstruksi lebih dari 24.000 m2. Total konsumsi daya sekitar 7,5 MW. Bangunan percobaan terdiri dari rangka keseluruhan berongga bagian dalam dan bagian luar, masing-masing dibangun di atas dua pondasi yang dipisahkan. Vakum dan sistem pemicu getaran lainnya dipasang pada fondasi yang terisolasi getaran, sehingga amplitudo gangguan yang ditransmisikan ke sistem laser melalui fondasi dan penyangga dikurangi menjadi kurang dari 10-10 g2/Hz dalam rentang frekuensi 1-200Hz. Selain itu, jaringan penanda referensi geodesik dipasang di ruang laser untuk memantau pergerakan tanah dan peralatan secara sistematis.
Proyek XCELS bertujuan untuk menciptakan fasilitas penelitian ilmiah besar berdasarkan laser dengan daya puncak yang sangat tinggi. Satu saluran sistem laser XCELS dapat memberikan intensitas cahaya terfokus beberapa kali lebih tinggi dari 1024 W/cm2, yang selanjutnya dapat dilampaui sebesar 1025 W/cm2 dengan teknologi pasca-kompresi. Dengan pulsa pemfokusan dipol dari 12 saluran dalam sistem laser, intensitas mendekati 1026 W/cm2 dapat dicapai bahkan tanpa pasca-kompresi dan penguncian fase. Jika sinkronisasi fase antar saluran dikunci, intensitas cahaya akan beberapa kali lebih tinggi. Dengan menggunakan intensitas pulsa yang memecahkan rekor dan tata letak sinar multi-saluran, fasilitas XCELS di masa depan akan mampu melakukan eksperimen dengan intensitas sangat tinggi, distribusi medan cahaya yang kompleks, dan mendiagnosis interaksi menggunakan sinar laser multi-saluran dan radiasi sekunder. Ini akan memainkan peran unik dalam bidang fisika eksperimental medan elektromagnetik super kuat.
Waktu posting: 26 Maret 2024