俄罗斯科学院XCELS计划建造600 PW激光器

俄罗斯科学院应用物理研究所主导规划了基于极高功率激光的大科学装置研究计划——艾瓦中心极端光研究（eXawatt Center for Extreme Light Studies, XCELS），并报道了其600 PW激光系统设计。

自从1960年梅曼创造出第一台激光器，到目前激光脉冲峰值功率已经增长到拍瓦（PW，10¹⁵ W）量级，聚焦强度超过10²³ W/cm²，甚至可能达到10²⁶ W/cm²以上超高量级。激光与物质的相互作用进入到一个前所未有的强相对论性与高度非线性范畴，能在实验室内创造出前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度综合性极端物理条件。使用如此之强的激光与物质相互作用、甚至直接研究真空的结构，都将对现有高能物理和超强场物理的认知提出极大的挑战。在超相对论场、高能物理、阿秒物理、天体物理、核光学和中子物理等领域具有重大研究和应用价值。

近日，俄罗斯科学院应用物理研究所介绍了基于极高功率激光的大科学装置研究计划——艾瓦中心极端光研究（eXawatt Center for Extreme Light Study，XCELS）。该计划包括建造一个基于大孔径磷酸二氘钾（简称DKDP，化学式KD₂PO₄）晶体中光学参量啁啾脉冲放大技术的极高功率激光器，预期总输出600 PW峰值功率脉冲。该工作提供了关于XCELS项目和其激光系统的重要细节和研究成果，介绍了与超强光场相互作用相关的应用和潜在影响。

XCELS计划提出于2011年，最初目标是实现200 PW峰值功率激光脉冲的输出，目前升级到600 PW。其激光系统主要依靠三个关键技术：

（1）使用光学参量啁啾脉冲放大（Optical Parametric Chirped Pulse Amplification, OPCPA）技术代替传统的激光啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification, CPA)技术；

（2）利用DKDP作为增益介质，在910 nm波长附近实现超宽带相位匹配；

（3）使用具有数千焦耳脉冲能量的大孔径钕玻璃激光器来泵浦参量放大器。

超宽带相位匹配广泛存在于许多晶体中，并应用于OPCPA飞秒激光器中。之所以使用DKDP晶体，是因为它是目前实践中发现的唯一可以生长至数十厘米孔径、并同时拥有可接受光学品质的材料，从而支持数PW功率激光的放大。研究发现当DKDP晶体被钕玻璃激光器的二倍频光泵浦时，若待放大脉冲的载波波长为910 nm，其波矢失配的泰勒展开式的前三项均为0。

图1 XCELS项目激光的总体分区图。图中缩写：DKDP_i：中间OPCPA的非线性晶体。DKDP_0：Booster OPCPA的非线性晶体。DKDP_1~12：最终段OPCPA中的非线性晶体

图1是XCELS激光系统的布局简图。前端产生了中心波长为910 nm的啁啾飞秒脉冲（图1中1.3）和注入OPCPA泵浦激光器的1054 nm纳秒脉冲（图1中1.1和1.2）。前端同时也保证了这些脉冲的同步以及所需的能量和时空参数。一个工作在较高重复频率(1 Hz)的中间OPCPA将啁啾脉冲放大到几十焦耳（图1中2）。脉冲进一步被Booster OPCPA放大为一束千焦耳的光束，并被分割为12个相同的子光束（图1中4）。在最终的12个OPCPA中，12束啁啾光脉冲分别被放大到千焦量级（图1中5），然后被12个压缩光栅(图1中6的GC)压缩。前端采用了声光可编程色散滤波器，以精确控制群速度色散和高阶色散，从而获得尽可能小的脉宽。脉冲频谱具有接近12阶超高斯的形状，在最大值1 %处的光谱带宽为150 nm，对应傅里叶变换极限脉宽为17 fs。考虑到色散补偿不完全、参数放大器中的非线性相位补偿困难，期望脉宽为20 fs。

XCELS激光将采用两个8通道的UFL-2M钕玻璃激光二倍频模块（图1中3），其中13个通道将用于泵浦Booster OPCPA和12个最终OPCPA。余下3个通道将作为独立的纳秒千焦耳脉冲激光源，供其他实验使用。受DKDP晶体的光学击穿阈值所限，每个通道的泵浦脉冲辐照强度都设置为1.5 GW/cm²，持续时间为3.5 ns。

XCELS激光器的每个通道产生功率为50 PW的脉冲。共有12个通道，可提供600 PW的总输出功率。在主靶室中，假设使用F/1的聚焦元件进行聚焦，在理想条件下每个通道的最大聚焦强度为0.44×10²⁵ W/cm²。如果通过后压缩技术将每个通道的脉冲进一步压缩到2.6 fs，相应的输出脉冲功率将增加到230 PW，对应光强达2.0×10²⁵ W/cm²。

为了达到更大光强，在600 PW输出下，12个通道中的光脉冲将以逆偶极子辐射的几何结构进行聚焦，如图2所示。当各个通道中的脉冲相位没有锁定时，焦点强度可达到9×10²⁵ W/cm²。若将各个脉冲相位锁定同步，相干合成的光强将增加到3.2×10²⁶ W/cm²。除了主靶室外，XCELS项目还包括多达10个用户实验室，每个实验室接收一束或多束束流进行实验。利用这种极强的光场，XCELS项目规划开展的实验包括四大类：强激光场中的量子电动力学过程；粒子的产生和加速；二次电磁辐射的产生；实验室天体物理、高能量密度过程和诊断研究等。

图2 主靶室中的聚焦几何结构。为了清晰起见，6号光束的抛物面镜设置为透明，输入和输出光束仅显示1和7号两个通道

图3展示了XCELS激光系统的各个功能分区在实验楼中的空间布局。电力、真空泵、水处理、净化和空调等设施布置在地下室中。总体建筑面积超过24000 m²。总电力消耗约为7.5 MW。实验楼包含一个内部的空心整体框架和一个外部的部分，分别建在两个解耦的地基之上。真空和其他可能引起振动的系统安装在隔振地基上，如此，在1~200 Hz频率范围内，通过地基和支撑传导到激光系统的扰动振幅将被降低到10^-10 g²/Hz以下。除此之外，激光大厅内设置测地线参考标志网络以系统地监测地基和设备的漂移。

XCELS项目旨在打造基于极高峰值功率激光器的大科学研究设施。XCELS激光系统的一个通道可能提供高于10²⁴ W/cm²数倍的聚焦光强，利用后压缩技术可进一步超过10²⁵ W/cm²。通过将激光系统中12个通道的脉冲进行偶极聚焦，即使没有后压缩和相位锁定，也能达到接近10²⁶ W/cm²的强度。如果进行通道间相位同步锁定，光强更会高出几倍。利用这些破纪录的脉冲强度，以及多通道光束的布局，未来XCELS设施能开展具有极高强度、复杂光场分布的实验，并能利用多通道激光束、以及次级辐射诊断相互作用过程。这将在超强电磁场实验物理领域发挥独特功能。