最近、ロシア科学アカデミー応用物理研究所は、超光度研究に基づく大型科学機器の研究プログラムである eXawatt Center for Extreme Light Study (XCELS) を導入しました。高出力レーザー。このプロジェクトには非常に重要な施設の建設が含まれています。高出力レーザー大口径リン酸二重水素カリウム (DKDP、化学式 KD2PO4) 結晶の光パラメトリック チャープ パルス増幅技術に基づいており、予想総出力は 600 PW ピーク パワー パルスです。この研究は、XCELS プロジェクトとそのレーザー システムに関する重要な詳細と研究結果を提供し、超強力な光場の相互作用に関連するアプリケーションと潜在的な影響について説明します。
XCELS プログラムは、ピーク電力を達成することを最初の目標として 2011 年に提案されました。レーザパルス出力は200 PWですが、現在は600 PWにアップグレードされています。そのレーザーシステムは 3 つの主要なテクノロジーに依存しています。
(1) 従来のチャープ パルス増幅 (チャープ パルス増幅、OPCPA) の代わりに、光パラメトリック チャープ パルス増幅 (OPCPA) テクノロジーが使用されます。 CPA) テクノロジー。
(2) 利得媒体として DKDP を使用することで、波長 910 nm 付近で超広帯域の位相整合が実現されます。
(3) 数千ジュールのパルスエネルギーを持つ大口径ネオジムガラスレーザーを使用して、パラメトリック増幅器をポンピングします。
超広帯域位相整合は多くの結晶で広く見られ、OPCPA フェムト秒レーザーで使用されています。 DKDP 結晶が使用されるのは、実際に数十センチメートルの開口まで成長させることができ、同時にマルチ PW パワーの増幅をサポートする許容可能な光学品質を備えている唯一の材料であるためです。レーザー。 DKDP 結晶が ND ガラス レーザーの 2 倍の周波数光で励起されるとき、増幅されたパルスの搬送波波長が 910 nm の場合、波数ベクトル不整合のテイラー展開の最初の 3 項が 0 であることがわかります。
図 1 は、XCELS レーザー システムの概略レイアウトです。フロントエンドは、中心波長が910 nmのチャープフェムト秒パルス（図1の1.3）と1054 nmのナノ秒パルスを生成し、OPCPA励起レーザー（図1の1.1および1.2）に注入しました。フロントエンドは、これらのパルスだけでなく、必要なエネルギーおよび時空間パラメータの同期も保証します。より高い繰り返しレート (1 Hz) で動作する中間 OPCPA は、チャープ パルスを数十ジュールに増幅します (図 1 の 2)。パルスはブースター OPCPA によってさらに増幅されて単一のキロジュール ビームになり、12 個の同一のサブビーム (図 1 では 4 個) に分割されます。最後の 12 OPCPA では、12 のチャープ光パルスのそれぞれがキロジュール レベル (図 1 の 5) まで増幅され、その後 12 の圧縮格子 (図 1 の 6 の GC) によって圧縮されます。音響光学プログラマブル分散フィルターをフロントエンドで使用し、群速度分散と高次分散を正確に制御し、可能な限り最小のパルス幅を実現します。パルススペクトルはほぼ12次のスーパーガウスの形状をしており、最大値の1%におけるスペクトル帯域幅は150nmで、フーリエ変換限界パルス幅17fsに相当します。不完全な分散補償とパラメトリック増幅器における非線形位相補償の難しさを考慮すると、予想されるパルス幅は 20 fs です。
XCELS レーザーは 2 つの 8 チャンネル UFL-2M ネオジム ガラス レーザー周波数倍増モジュール (図 1 では 3 つ) を採用し、そのうち 13 チャンネルはブースター OPCPA と 12 チャンネルの最終 OPCPA の励起に使用されます。残りの 3 つのチャネルは、独立したナノ秒キロジュール パルスとして使用されます。レーザー光源他の実験用に。 DKDP 結晶の光破壊閾値によって制限され、ポンピング パルスの照射強度は各チャネルで 1.5 GW/cm2 に設定され、持続時間は 3.5 ns です。
XCELS レーザーの各チャネルは、50 PW の出力のパルスを生成します。合計 12 チャネルが合計 600 PW の出力電力を提供します。メインターゲットチャンバーでは、F/1 集束素子が集束に使用されると仮定すると、理想的な条件下での各チャネルの最大集束強度は 0.44×1025 W/cm2 です。各チャネルのパルスが後圧縮技術によってさらに 2.6 fs に圧縮されると、対応する出力パルス パワーは 230 PW に増加し、これは 2.0 × 1025 W/cm2 の光強度に相当します。
より大きな光強度を達成するために、600 PW 出力で、図 2 に示すように、12 チャネルの光パルスが逆双極子放射の形状に集束されます。各チャネルのパルス位相がロックされていない場合、集束強度が低下する可能性があります。 9×1025W/cm2に達します。各パルス位相がロックされ同期されている場合、コヒーレントな合成光強度は 3.2 × 1026 W/cm2 まで増加します。 XCELS プロジェクトには、メインのターゲット室に加えて、最大 10 のユーザー実験室が含まれており、それぞれが実験用に 1 つ以上のビームを受信します。 XCELS プロジェクトは、この非常に強い光場を使用して、次の 4 つのカテゴリーで実験を実行する予定です。粒子の生成と加速。二次電磁放射の発生。実験室の天体物理学、高エネルギー密度プロセスおよび診断研究。
イチジク。 2 メインターゲットチャンバー内の集束ジオメトリ。わかりやすくするために、ビーム 6 の放物面ミラーは透明に設定されており、入力ビームと出力ビームには 2 つのチャネル 1 と 7 のみが表示されています。
図 3 は、実験棟内の XCELS レーザー システムの各機能エリアの空間レイアウトを示しています。電気、真空ポンプ、水処理、浄化、空調は地下にあります。総建設面積は24,000平方メートル以上。総消費電力は約7.5MWです。実験用建物は、内部の中空の全体フレームと外部セクションで構成され、それぞれが 2 つの分離された基礎の上に構築されます。真空およびその他の振動誘発システムは防振基礎上に設置されるため、基礎およびサポートを介してレーザー システムに伝達される外乱の振幅は、周波数範囲で 10 ～ 10 g2/Hz 未満に低減されます。 1～200Hz。さらに、測地基準マーカーのネットワークがレーザーホールに設置され、地面と機器のドリフトを体系的に監視します。
XCELS プロジェクトは、非常に高いピーク出力のレーザーをベースとした大規模な科学研究施設を構築することを目的としています。 XCELS レーザー システムの 1 つのチャネルは、1024 W/cm2 の数倍高い集束光強度を提供できますが、後圧縮技術を使用すると、1025 W/cm2 をさらに超えることができます。レーザー システムの 12 チャネルからの双極子集束パルスにより、後圧縮や位相ロックがなくても 1026 W/cm2 に近い強度を達成できます。チャンネル間の位相同期がロックされている場合、光強度は数倍になります。これらの記録破りのパルス強度とマルチチャネルのビームレイアウトを使用することで、将来の XCELS 施設は、非常に高強度で複雑な光フィールド分布の実験を実行し、マルチチャネルのレーザービームと二次放射線を使用して相互作用を診断できるようになります。これは、超強力電磁場の実験物理学の分野で独特の役割を果たすでしょう。
投稿日時: 2024 年 3 月 26 日