最近、ロシア科学アカデミー応用物理学研究所は、極端に光に基づいた大型科学機器の研究プログラムであるeXawatt極端光研究センター（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）結晶を用いた光パラメトリックチャープパルス増幅技術に基づき、600PWのピークパワーパルス出力が期待される。本研究は、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成果を提供し、超強力光場相互作用に関連する応用と潜在的な影響について解説する。
XCELSプログラムは、ピーク電力の達成を当初の目標として2011年に提案されました。レーザパルス出力は200PWで、現在は600PWにアップグレードされています。レーザーシステム3 つの主要なテクノロジーに依存しています。
（１）光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）技術は、従来のチャープパルス増幅（Chirped Pulse Amplification、OPCPA）技術の代わりに使用される。
（２）DKDPを利得媒体として用いることで、波長910nm付近での超広帯域位相整合が実現される。
（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用いてパラメトリック増幅器を励起する。
超広帯域位相整合は多くの結晶に広く見られ、OPCPAフェムト秒レーザーにも利用されています。DKDP結晶が使用されるのは、数十センチメートルの開口径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のに許容できる光学特性を持つ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倍周波数光でポンプされると、増幅パルスの搬送波長が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つの項が0にな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910 nmのチャープフェムト秒パルス（図1の1.3）と、OPCPA励起レーザーに注入される1054 nmナノ秒パルス（図1の1.1と1.2）を生成しました。フロントエンドは、これらのパルスの同期、および必要なエネルギーと時空間パラメータの確保も行います。より高い繰り返し周波数（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（図1の2）まで増幅します。このパルスは、ブースターOPCPAによってさらに1キロジュールのビームに増幅され、12本の同一のサブビーム（図1の4）に分割されます。最終の12個のOPCPAでは、12個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個の圧縮格子（図1の6個のGC）によって圧縮されます。フロントエンドでは、音響光学プログラマブル分散フィルタを使用して、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持ち、最大値の1％でのスペクトル帯域幅は150 nmで、フーリエ変換限界パルス幅17 fs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、8チャンネルのUFL-2Mネオジムガラスレーザー周波数逓倍モジュール2台（図1の3）を採用し、そのうち13チャンネルはブースターOPCPAと最終OPCPAの励起に使用されます。残りの3チャンネルは、独立したナノ秒キロジュールパルス光として使用されます。レーザー光源その他の実験用。DKDP結晶の光破壊閾値によって制限されるため、励起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レーザーの各チャンネルは50 PWのパルスを生成します。合計12チャンネルで合計600 PWの出力が得られます。メインターゲットチャンバーにおいて、F/1集光素子を用いて集光した場合、理想的な条件下では各チャンネルの最大集光強度は0.44×1025 W/cm²です。後圧縮技術を用いて各チャンネルのパルスをさらに2.6 fsまで圧縮すると、対応する出力パルス強度は230 PWに増加し、光強度は2.0×1025 W/cm²に相当します。
より高い光強度を実現するために、600 PW 出力では、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、集束強度は 9×1025 W/cm2 に達します。各パルス位相がロックされ同期されると、結果として生じるコヒーレント光強度は 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 ルームに加えて、最大 10 のユーザー ラボが含まれ、各ラボは実験用に 1 つ以上のビームを受け取ります。この極めて強力な光場を使用して、XCELS プロジェクトでは、強力レーザー場における量子電気力学プロセス、粒子の生成と加速、二次電磁放射の生成、実験室天体物理学、高エネルギー密度プロセス、診断研究の 4 つのカテゴリで実験を行う予定です。
図2 メインターゲットチャンバー内の集束ジオメトリ。明瞭化のため、ビーム6の放物面鏡は透明に設定されており、入力ビームと出力ビームはチャネル1と7の2つだけを示している。
図3は、実験棟における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。総建築面積は24,000平方メートルを超え、総消費電力は約7.5MWです。実験棟は、内部の中空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上に構築されています。真空システムおよびその他の振動誘導システムは、振動絶縁基礎に設置されているため、基礎と支持部を介してレーザーシステムに伝達される擾乱の振幅は、1〜200 Hzの周波数範囲で10-10 g2/Hz未満に低減されます。さらに、測地線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、極めて高いピークパワーのレーザーを基盤とした大型科学研究施設の構築を目指しています。XCELSレーザーシステムの1チャネルは、1024 W/cm2を数倍も上回る集束光強度を提供でき、後圧縮技術を用いることでさらに1025 W/cm2を超える強度を実現できます。レーザーシステムの12チャネルからのパルスを双極子集束させることで、後圧縮や位相同期がなくても1026 W/cm2に近い強度を実現できます。チャネル間の位相同期が実現すれば、光強度はさらに数倍高くなります。これらの記録破りのパルス強度とマルチチャネルビームレイアウトを活用することで、将来のXCELS施設では、極めて高い強度で複雑な光場分布を持つ実験や、マルチチャネルレーザービームと二次放射を用いた相互作用の診断が可能になります。これは、超強電磁場実験物理学の分野で独自の役割を果たすことになります。
投稿日時: 2024年3月26日