Baru-baru ini, Institut Fisika Terapan dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia memperkenalkan Pusat eXawatt untuk Studi Cahaya Ekstrim (XCELS), sebuah program penelitian untuk perangkat ilmiah besar berdasarkanlaser berdaya tinggiProyek ini mencakup pembangunan sebuahlaser berdaya tinggiBerdasarkan teknologi amplifikasi pulsa chirped parametrik optik pada kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, rumus kimia KD2PO4) aperture besar, dengan total keluaran pulsa daya puncak yang diharapkan sebesar 600 PW. Karya ini memberikan detail penting dan temuan penelitian tentang proyek XCELS dan sistem lasernya, serta menjelaskan aplikasi dan potensi dampak terkait interaksi medan cahaya ultra-kuat.
Program XCELS diusulkan pada tahun 2011 dengan tujuan awal mencapai daya puncaklaserkeluaran pulsa 200 PW, yang saat ini ditingkatkan menjadi 600 PW.sistem laserbergantung pada tiga teknologi utama:
(1) Teknologi Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) digunakan sebagai pengganti teknologi Chirped Pulse Amplification (Chirped Pulse Amplification, OPCPA) tradisional.
(2) Menggunakan DKDP sebagai media penguatan, pencocokan fase pita lebar ultra diwujudkan di dekat panjang gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium aperture besar dengan energi pulsa ribuan joule digunakan untuk memompa penguat parametrik.
Pencocokan fase ultra-lebar banyak ditemukan pada banyak kristal dan digunakan dalam laser femtodetik OPCPA. Kristal DKDP digunakan karena merupakan satu-satunya material yang ditemukan dalam praktik yang dapat ditumbuhkan hingga bukaan puluhan sentimeter dan sekaligus memiliki kualitas optik yang memadai untuk mendukung amplifikasi daya multi-PW.laserDitemukan 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 ketidaksesuaian 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 dalam laser OPCPA yang dipompa (1,1 dan 1,2 pada Gambar 1). Ujung depan juga memastikan sinkronisasi pulsa-pulsa ini serta energi dan parameter spasiotemporal yang dibutuhkan. OPCPA perantara yang beroperasi pada tingkat pengulangan yang lebih tinggi (1 Hz) memperkuat pulsa kicau hingga puluhan joule (2 pada Gambar 1). Pulsa tersebut selanjutnya diperkuat oleh OPCPA Booster menjadi satu berkas kilojoule dan dibagi menjadi 12 sub-berkas identik (4 pada Gambar 1). Pada 12 OPCPA terakhir, masing-masing dari 12 pulsa cahaya yang dikicaukan diperkuat hingga tingkat kilojoule (5 pada Gambar 1) dan kemudian dikompresi oleh 12 kisi kompresi (GC 6 pada Gambar 1). Filter dispersi terprogram akustik-optik digunakan di ujung depan untuk mengontrol dispersi kecepatan grup dan dispersi orde tinggi secara presisi, sehingga diperoleh lebar pulsa sekecil mungkin. Spektrum pulsa memiliki bentuk mendekati supergauss orde ke-12, dan lebar pita spektral pada 1% dari nilai maksimum adalah 150 nm, yang sesuai dengan lebar pulsa batas transformasi Fourier sebesar 17 fs. Dengan mempertimbangkan kompensasi dispersi yang tidak lengkap dan kesulitan kompensasi fase nonlinier dalam penguat parametrik, lebar pulsa yang diharapkan adalah 20 fs.
Laser XCELS akan menggunakan dua modul pengganda frekuensi laser kaca neodymium UFL-2M 8-kanal (3 pada Gambar 1), yang 13 kanalnya akan digunakan untuk memompa OPCPA Booster dan 12 OPCPA final. Tiga kanal sisanya akan digunakan sebagai pulsa kilojoule nanodetik independen.sumber laseruntuk eksperimen lainnya. Dibatasi oleh ambang batas kerusakan optik kristal DKDP, intensitas iradiasi pulsa yang dipompa ditetapkan sebesar 1,5 GW/cm² untuk setiap kanal dan durasinya 3,5 ns.
Setiap kanal laser XCELS menghasilkan pulsa dengan daya 50 PW. Sebanyak 12 kanal menghasilkan daya keluaran total 600 PW. Di ruang target utama, intensitas pemfokusan maksimum setiap kanal dalam kondisi ideal adalah 0,44×1025 W/cm², dengan asumsi elemen pemfokus F/1 digunakan untuk pemfokusan. Jika pulsa setiap kanal dikompresi lebih lanjut menjadi 2,6 fs dengan teknik pasca-kompresi, daya pulsa keluaran yang sesuai akan meningkat menjadi 230 PW, setara dengan intensitas cahaya 2,0×1025 W/cm².
Untuk mencapai intensitas cahaya yang lebih besar, pada keluaran 600 PW, pulsa cahaya di 12 kanal akan difokuskan dalam geometri radiasi dipol terbalik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika fase pulsa di setiap kanal tidak terkunci, intensitas fokus dapat mencapai 9×1025 W/cm2. Jika setiap fase pulsa terkunci dan tersinkronisasi, intensitas cahaya resultan yang koheren akan meningkat menjadi 3,2×1026 W/cm2. Selain ruang target utama, proyek XCELS mencakup hingga 10 laboratorium pengguna, yang masing-masing menerima satu atau lebih berkas untuk eksperimen. Dengan menggunakan medan cahaya yang sangat kuat ini, proyek XCELS berencana untuk melakukan eksperimen dalam empat kategori: proses elektrodinamika kuantum dalam medan laser intens; Produksi dan percepatan partikel; Pembangkitan radiasi elektromagnetik sekunder; Astrofisika laboratorium, proses kepadatan energi tinggi, dan penelitian diagnostik.
GAMBAR 2 Geometri pemfokusan di ruang target utama. Untuk kejelasan, cermin parabola berkas 6 diatur ke transparan, dan berkas masukan dan keluaran hanya menampilkan dua saluran, yaitu 1 dan 7.
Gambar 3 menunjukkan tata letak spasial setiap area fungsional sistem laser XCELS di gedung percobaan. Listrik, pompa vakum, pengolahan air, pemurnian, dan pendingin udara terletak di ruang bawah tanah. Total luas bangunan lebih dari 24.000 m². Konsumsi daya total sekitar 7,5 MW. Gedung percobaan terdiri dari rangka internal berongga dan bagian eksternal, masing-masing dibangun di atas dua fondasi yang terpisah. Sistem vakum dan sistem penginduksi getaran lainnya dipasang di atas fondasi yang diisolasi getaran, sehingga amplitudo gangguan yang ditransmisikan ke sistem laser melalui fondasi dan penyangga berkurang hingga kurang dari 10-10 g²/Hz dalam rentang frekuensi 1-200 Hz. Selain itu, jaringan penanda referensi geodesik dipasang di aula laser untuk memantau pergeseran tanah dan peralatan secara sistematis.
Proyek XCELS bertujuan untuk menciptakan fasilitas penelitian ilmiah berskala besar berbasis laser daya puncak yang sangat tinggi. Satu kanal sistem laser XCELS dapat menghasilkan intensitas cahaya terfokus beberapa kali lipat lebih tinggi dari 1024 W/cm², yang dapat ditingkatkan lebih lanjut hingga 1025 W/cm² dengan teknologi pasca-kompresi. Dengan pulsa pemfokusan dipol dari 12 kanal dalam sistem laser, intensitas mendekati 1026 W/cm² dapat dicapai bahkan tanpa pasca-kompresi dan penguncian fase. Jika sinkronisasi fase antar kanal terkunci, intensitas cahaya akan menjadi beberapa kali lipat lebih tinggi. Dengan menggunakan intensitas pulsa yang memecahkan rekor ini dan tata letak berkas multi-kanal, fasilitas XCELS di masa mendatang akan mampu melakukan eksperimen dengan intensitas yang sangat tinggi, distribusi medan cahaya yang kompleks, serta mendiagnosis interaksi menggunakan berkas laser multi-kanal dan radiasi sekunder. Hal ini akan memainkan peran unik dalam bidang fisika eksperimental medan elektromagnetik superkuat.
Waktu posting: 26-Mar-2024