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 daya tinggiProyek ini mencakup pembangunan sebuahlaser daya tinggiberdasarkan teknologi amplifikasi pulsa parametrik optik dalam kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, rumus kimia KD2PO4) aperture besar, dengan total output yang diharapkan sebesar 600 pulsa daya puncak PW. Karya ini memberikan rincian penting dan temuan penelitian tentang proyek XCELS dan sistem lasernya, yang menjelaskan aplikasi dan dampak potensial yang terkait dengan interaksi medan cahaya yang sangat 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 pita lebar sangat banyak ditemukan di banyak kristal dan digunakan dalam laser femtodetik OPCPA. Kristal DKDP digunakan karena merupakan satu-satunya material yang ditemukan dalam praktik yang dapat tumbuh hingga puluhan sentimeter bukaan dan pada saat yang sama memiliki kualitas optik yang dapat diterima untuk mendukung amplifikasi daya multi-PW.sinar laser. Ditemukan 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 dari 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 laser yang dipompa OPCPA (1,1 dan 1,2 pada Gambar 1). Ujung depan juga memastikan sinkronisasi pulsa ini serta energi dan parameter spasiotemporal yang dibutuhkan. OPCPA antara yang beroperasi pada tingkat pengulangan yang lebih tinggi (1 Hz) memperkuat pulsa berkicau hingga puluhan joule (2 pada Gambar 1). Pulsa tersebut selanjutnya diperkuat oleh OPCPA Booster menjadi berkas kilojoule tunggal dan dibagi menjadi 12 subberkas identik (4 pada Gambar 1). Pada 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 6 pada Gambar 1). Filter dispersi terprogram akustik-optik digunakan di ujung depan untuk mengontrol dispersi kecepatan grup dan dispersi orde tinggi secara tepat, sehingga memperoleh lebar pulsa sekecil mungkin. Spektrum pulsa berbentuk hampir 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-saluran (3 pada Gambar 1), yang 13 salurannya akan digunakan untuk memompa OPCPA Booster dan 12 OPCPA final. Tiga saluran sisanya akan digunakan sebagai pulsa kilojoule nanodetik independen.sumber laseruntuk percobaan lainnya. Dibatasi oleh ambang batas kerusakan optik kristal DKDP, intensitas penyinaran pulsa yang dipompa ditetapkan pada 1,5 GW/cm2 untuk setiap saluran dan durasinya adalah 3,5 ns.
Setiap saluran laser XCELS menghasilkan pulsa dengan daya 50 PW. Sebanyak 12 saluran menghasilkan daya keluaran total sebesar 600 PW. Di ruang target utama, intensitas pemfokusan maksimum setiap saluran dalam kondisi ideal adalah 0,44×1025 W/cm2, dengan asumsi bahwa 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 meningkat menjadi 230 PW, yang sesuai dengan intensitas cahaya sebesar 2,0×1025 W/cm2.
Untuk mencapai intensitas cahaya yang lebih besar, pada output 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 terkunci dan disinkronkan, intensitas cahaya resultan yang koheren akan ditingkatkan menjadi 3,2×1026 W/cm2. Selain ruang target utama, proyek XCELS mencakup hingga 10 laboratorium pengguna, yang masing-masing menerima satu atau lebih sinar 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 yang 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 menjadi transparan, dan berkas masukan dan keluaran hanya memperlihatkan dua saluran 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. Bangunan percobaan terdiri dari rangka internal berongga secara keseluruhan dan bagian eksternal, masing-masing dibangun di atas dua fondasi yang dipisahkan. Sistem vakum dan sistem pembangkit getaran lainnya dipasang pada fondasi yang diisolasi dari 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 membuat fasilitas penelitian ilmiah besar berdasarkan laser 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 hingga 1025 W/cm2 dengan teknologi pascakompresi. Dengan pulsa pemfokusan dipol dari 12 saluran dalam sistem laser, intensitas mendekati 1026 W/cm2 dapat dicapai bahkan tanpa pascakompresi dan penguncian fase. Jika sinkronisasi fase antara saluran terkunci, intensitas cahaya akan menjadi beberapa kali lebih tinggi. Dengan menggunakan intensitas pulsa yang memecahkan rekor ini dan tata letak berkas multisaluran, fasilitas XCELS mendatang akan dapat melakukan eksperimen dengan intensitas yang sangat tinggi, distribusi medan cahaya yang kompleks, dan mendiagnosis interaksi menggunakan berkas laser multisaluran dan radiasi sekunder. Ini akan memainkan peran unik dalam bidang fisika eksperimental medan elektromagnetik superkuat.
Waktu posting: 26-Mar-2024