Стартовая система для лазерной установки XCELS класса мегасайенс

Развитая в ИПФ РАН технология параметрического усиления чирпированных лазерных импульсов (OPCPA) положена в основу российского проекта XCELS, предназначенного для строительства Международного центра исследования экстремальных световых полей на базе субэксаваттного лазера. Проект был одобрен еще в 2011 году правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям в числе шести проектов класса мегасайенс. В 2023 году проект был существенно переработан – в частности, продемонстрировано, что суммарная мощность 12-канального лазерного комплекса, лежащего в основе проекта XCELS, может быть доведена до 600 ПВт. В настоящее время планируется реализация первого этапа проекта.

Для достижения максимальной амплитуды электромагнитного поля все 12 каналов лазерного комплекса XCELS с пиковой мощностью более 50 ПВт в каждом канале должны быть когерентно сфокусированы в одну точку. Это обуславливает исключительные требования на стабильность всех параметров лазерной системы, которая должна быть обеспечена на всех этапах, начиная с генерации сигнального импульса в стартовой части лазерной системы и заканчивая компрессией и фокусировкой в мишенной камере. Выполнение таких требований во многом зависит от стартовой системы лазерного комплекса XCELS, которая не только запитывает все 12 лазерных каналов, но и обеспечивает синхронизацию всех систем лазерного комплекса.

В ИПФ РАН разработан дизайн и апробированы ключевые узлы стартовой лазерной системы для проекта XCELS. Результаты этой апробации позволили на порядок (приблизительно в 10 раз) улучшить стабильность энергии лазерных импульсов на единственной в России лазерной установке петаваттного уровня мощности PEARL, что значительно расширило её возможности при проведении самых сложных научных исследований по взаимодействию излучения с веществом. Разработанная технология оптической синхронизации каналов стартовой системы обеспечит прецизионное совмещение во времени фемтосекундного сигнала, как с каналами накачки, так и с другими устройствами (например, ускорителем электронов). Высокая стабильность энергии в импульсе достигается применением диодной накачки в твердотельных усилителях. Временно́е профилирование лазерных импульсов с субнаносекундным разрешением необходимо для компенсации искажения формы импульса в силовых усилителях на неодимовом стекле в основной части XCELS.

Выполненные в ИПФ РАН исследования легли в основу изготавливаемой сейчас стартовой системы для прототипа лазерного комплекса XCELS, который подразумевает когерентное сложение двух каналов с пиковой мощностью до 50 ПВт в каждом. Это должно стать первым этапом выполнения проекта XCELS, который покажет работоспособность всех ключевых узлов комплекса, а также позволит проводить широкий круг исследований на недостижимом на сегодняшний день уровне мощности лазерного излучения.

I.B. Mukhin, K.A. Glushkov, A.A. Soloviev, A.A. Shaykin, V.N. Ginzburg, I.V. Kuzmin, M.A. Martyanov, S.E. Stukachev, S.Y. Mironov, I.V. Yakovlev, and E.A. Khazanov. Upgrading the front end of the petawatt-class PEARL laser facility // Applied Optics, 2023, Vol. 62, № 10, P. 2554–2559.