最近、ロシア科学アカデミー応用物理学研究所は、極限光研究のためのエクサワットセンター（XCELS）を設立しました。これは、極限光に基づいた大型科学機器の研究プログラムです。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本研究は、大口径リン酸二水素カリウム（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、最大出力600PWのピークパワーパルスを実現することを目標としています。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情報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例と潜在的な影響について解説します。
XCELSプログラムは、ピーク出力を達成するという当初の目標を掲げて2011年に提案された。レーザパルス出力は200 PWで、現在は600 PWにアップグレードされています。レーザーシステム3つの主要技術に依存している。
（１）従来のチャープパルス増幅（CPA）技術の代わりに、光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）技術が使用される。
（２）DKDPを利得媒体として使用することで、910nm付近の波長で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で広く見られ、OPCPAフェムト秒レーザーで利用されています。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、同時に数ペタワットのパワー増幅を支えるのに十分な光学特性を備えている、実用上唯一の材料であるためです。レーザーDKDP結晶をNDガラスレーザーの2倍周波数光で励起した場合、増幅パルスの搬送波長が910 nmであれば、波数ベクトル不整合のテイラー展開の最初の3項は0であることがわかった。
図1は、XCELSレーザーシステムの概略図です。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のナノ秒パルス（図1の1.1と1.2）を生成します。フロントエンドは、これらのパルスの同期と、必要なエネルギーおよび時空間パラメータも確保します。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まで増幅します（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、単一のキロジュールビームとなり、12個の同一のサブビームに分割されます（図1の4）。最終段の 12 OPCPA では、12 個のチャープ光パルスがそれぞれ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 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精密に制御し、可能な限り最小のパルス幅を得ます。パルススペクトルはほぼ 12 次スーパーガウスの形状を持ち、最大値の 1% におけるスペクトル帯域幅は 150 nm であり、フーリエ変換限界パルス幅 17 fs に相当します。パラメトリック増幅器における不完全な分散補償と非線形位相補償の難しさを考慮すると、期待されるパルス幅は 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の3）を使用し、そのうち13チャンネルはブースターOPCPAの励起に、12チャンネルは最終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として使用されます。レーザー光源他の実験では、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ンネルで1.5 GW/cm2に設定され、パルス幅は3.5 nsです。
XCELSレーザーの各チャンネルは、50 PWの出力を持つパルスを生成します。合計12チャンネルで、合計出力は600 PWになります。メインターゲットチャンバーでは、F/1集光素子を使用して集光すると仮定した場合、理想的な条件下での各チャンネルの最大集光強度は0.44×1025 W/cm2です。各チャンネルのパルスを後圧縮技術によってさらに2.6 fsまで圧縮すると、対応する出力パルスパワーは230 PWに増加し、光強度は2.0×1025 W/cm2になります。
より高い光強度を実現するために、600 PW の出力では、図 2 に示すように、12 チャンネルの光パルスは逆双極子放射のジオメトリで集束されます。各チャン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ている場合、コヒーレントな結果の光強度は 3.2×1026 W/cm2 に増加します。メインターゲット ルームに加えて、XCELS プロジェクトには、それぞれが実験用に 1 つ以上のビームを受け取る最大 10 のユーザー ラボが含まれています。この非常に強い光場を使用して、XCELS プロジェクトは、次の 4 つのカテゴリで実験を実行する予定です。強力なレーザー場における量子電磁力学プロセス。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。
図2 主ターゲットチャンバー内の集束ジオメトリ。分かりやすくするために、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2つのチャンネル1と7のみを示している。
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配置を示しています。電気、真空ポンプ、水処理、浄化、空調設備は地下に配置されています。総建築面積は24,000 m2以上です。総消費電力は約7.5 MWです。実験棟は、内部中空全体フレームと外部セクションから構成され、それぞれが2つの独立した基礎の上に構築されています。真空システムやその他の振動発生システムは、振動絶縁基礎に設置されているため、基礎と支持構造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、レーザーホール内には、地盤と機器のドリフトを系統的に監視するための測地基準マーカーのネットワークが設置されています。
XCELSプロジェクトは、極めて高いピーク出力を持つレーザーを基盤とした大規模な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チャンネルは、1024 W/cm2を数倍上回る集光光強度を実現でき、後圧縮技術を用いることでさらに1025 W/cm2を超える強度を達成可能です。レーザーシステムの12チャンネルから発せられるパルスを双極子集束させることで、後圧縮や位相同期を行わなくても1026 W/cm2に近い強度が得られます。チャンネル間の位相同期を同期させれば、光強度はさらに数倍高くなります。こうした記録的なパルス強度とマルチチャンネルビーム構成を用いることで、将来のXCELS施設は、極めて高い強度、複雑な光場分布を用いた実験や、マルチチャン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、超強力電磁場実験物理学の分野において、他に類を見ない重要な役割を果たすでしょう。
投稿日時：2024年3月26日