Baru-baru ini, Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia memperkenalkan Pusat Studi Cahaya Ekstrem eXawatt (XCELS), sebuah program penelitian untuk perangkat ilmiah besar yang berbasis pada cahaya ekstrem.laser daya tinggiProyek ini mencakup pembangunan sebuah bangunan yang sangat besar.laser daya tinggiBerdasarkan teknologi amplifikasi pulsa terkompresi parametrik optik dalam kristal kalium dideuterium fosfat (DKDP, rumus kimia KD2PO4) dengan apertur besar, dengan daya keluaran total pulsa puncak yang diharapkan sebesar 600 PW. Karya ini memberikan detail penting dan temuan penelitian tentang proyek XCELS dan sistem lasernya, menjelaskan aplikasi dan potensi dampak yang terkait dengan interaksi medan cahaya ultra-kuat.
Program XCELS diusulkan pada tahun 2011 dengan tujuan awal untuk mencapai daya puncak.laserOutput pulsa sebesar 200 PW, yang saat ini ditingkatkan menjadi 600 PW.sistem laserbergantung pada tiga teknologi utama:
(1) Teknologi Amplifikasi Pulsa Terchirp Parametrik Optik (OPCPA) digunakan sebagai pengganti teknologi Amplifikasi Pulsa Terchirp tradisional (CPA);
(2) Dengan menggunakan DKDP sebagai medium penguatan, pencocokan fase ultra lebar diwujudkan di dekat panjang gelombang 910 nm;
(3) Laser kaca neodymium dengan apertur besar dan energi pulsa ribuan joule digunakan untuk memompa penguat parametrik.
Pencocokan fase ultra-lebar banyak ditemukan di berbagai kristal dan digunakan dalam laser femtosekon OPCPA. Kristal DKDP digunakan karena merupakan satu-satunya material 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.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 dari ekspansi Taylor dari ketidaksesuaian vektor gelombang adalah 0.
Gambar 1 adalah tata letak skematis dari sistem laser XCELS. Bagian depan menghasilkan pulsa femtosekon terchirp dengan panjang gelombang pusat 910 nm (1,3 pada Gambar 1) dan pulsa nanosekon 1054 nm yang disuntikkan ke dalam laser yang dipompa OPCPA (1,1 dan 1,2 pada Gambar 1). Bagian depan juga memastikan sinkronisasi pulsa-pulsa ini serta energi dan parameter spasial-temporal yang dibutuhkan. OPCPA perantara yang beroperasi pada laju pengulangan yang lebih tinggi (1 Hz) memperkuat pulsa terchirp hingga puluhan joule (2 pada Gambar 1). Pulsa tersebut selanjutnya diperkuat oleh Booster OPCPA menjadi berkas kilojoule tunggal dan dibagi menjadi 12 sub-berkas identik (4 pada Gambar 1). Pada OPCPA 12 terakhir, masing-masing dari 12 pulsa cahaya terchirp diperkuat hingga tingkat kilojoule (5 pada Gambar 1) dan kemudian dikompresi oleh 12 kisi kompresi (GC 6 pada Gambar 1). Filter dispersi terprogram akusto-optik digunakan di bagian depan untuk mengontrol secara tepat dispersi kecepatan grup dan dispersi orde tinggi, sehingga diperoleh lebar pulsa sekecil mungkin. Spektrum pulsa memiliki bentuk hampir supergauss orde ke-12, dan bandwidth 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 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), di mana 13 saluran akan digunakan untuk memompa Booster OPCPA dan 12 saluran untuk OPCPA akhir. Tiga saluran yang tersisa akan digunakan sebagai pulsa kilojoule nanodetik independen.sumber laseruntuk eksperimen lainnya. Dibatasi oleh ambang batas kerusakan optik kristal DKDP, intensitas iradiasi pulsa pompa ditetapkan sebesar 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 memberikan daya keluaran total sebesar 600 PW. Di ruang target utama, intensitas fokus maksimum setiap saluran dalam kondisi ideal adalah 0,44×10²⁵ W/cm², dengan asumsi elemen fokus 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 2,0×10²⁵ W/cm².
Untuk mencapai intensitas cahaya yang lebih besar, pada daya 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 terkunci dan disinkronkan, intensitas cahaya resultan koheren akan meningkat menjadi 3,2×10²⁶ W/cm². Selain ruang target utama, proyek XCELS mencakup hingga 10 laboratorium pengguna, masing-masing menerima satu atau lebih berkas cahaya 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 intensif; 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 menunjukkan dua saluran 1 dan 7.
Gambar 3 menunjukkan tata letak spasial setiap area fungsional sistem laser XCELS di gedung eksperimental. Listrik, pompa vakum, pengolahan air, pemurnian, dan pendingin udara terletak di ruang bawah tanah. Total luas bangunan lebih dari 24.000 m2. Total konsumsi daya sekitar 7,5 MW. Gedung eksperimental terdiri dari rangka keseluruhan berongga internal dan bagian eksternal, masing-masing dibangun di atas dua fondasi terpisah. Sistem vakum dan sistem penghasil getaran lainnya dipasang pada fondasi yang terisolasi dari getaran, sehingga amplitudo gangguan yang ditransmisikan ke sistem laser melalui fondasi dan penyangga dikurangi 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 secara sistematis pergeseran tanah dan peralatan.
Proyek XCELS bertujuan untuk menciptakan fasilitas penelitian ilmiah besar berdasarkan laser daya puncak yang sangat tinggi. Satu saluran dari sistem laser XCELS dapat memberikan intensitas cahaya terfokus beberapa kali lebih tinggi dari 1024 W/cm2, yang dapat lebih ditingkatkan lagi hingga 1025 W/cm2 dengan teknologi pasca-kompresi. Dengan pulsa fokus 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 pemecah rekor ini dan tata letak berkas multi-saluran, fasilitas XCELS di masa depan akan mampu melakukan eksperimen dengan intensitas sangat tinggi, distribusi medan cahaya yang kompleks, dan mendiagnosis interaksi menggunakan berkas laser multi-saluran dan radiasi sekunder. Ini akan memainkan peran unik di bidang fisika eksperimental medan elektromagnetik super-kuat.
Waktu posting: 26 Maret 2024