5. února 2021 byl v Centru ELI Beamlines demonstrován provoz laserového systému L3-HAPLS na úrovni 0.5 PW při opakovací frekvenci 3.3 Hz. V provedených zkouškách byly pulsy generované laserovým řetězcem komprimovány ve vakuovém PW kompresoru pomocí čtyř velkoplošných difrakčních mřížek. Úspěšné završení těchto zkoušek je dalším milníkem směrem k dosažení plného projektovaného výkonu systému L3-HAPLS navrženého pro dlouhodobý vysoce stabilní provoz s opakovací frekvencí 10 Hz.
Během provedeného testování byl čerpací laser systému L3-HAPLS, který slouží k buzení výkonového krátkopulsního titan-safírového zesilovače, provozován na energii 101 joulů. Na výstupu krátkopulsního řetězce, před vstupem do vakuového kompresoru, tak byla generována energie 17,7 joulů, s vysokou stabilitou a kolísáním pouze 0,4 %. Vysoká stabilita výkonu laseru při nepřetržitém provozu delším než jedna hodina byla ověřena již dříve. Vzhledem k optické účinnosti difrakčních mřížek byly na výstupu vakuového kompresoru generovány pulsy s energií 13,3 J a délkou 27,3 fs. To odpovídá špičkovému výkonu přibližně 490 TW neboli 0,49 PW. To je nejvyšší špičkový výkon dosažený laserem s opakovací frekvencí 3.3 Hz a délkou pulsu <30 fs. Jde rovněž o nejvyšší časově střední výkon petawattového laseru schopného nepřetržitého stabilního provozu po dobu několika hodin.
Obrázek 1: Časový tvar pulsů L3-HAPLS komprimovaných na 27,3 fs (vlevo) a profil laserového svazku na výstupu vakuového kompresoru (vpravo).
„Laserový tým L3-HAPLS během uplynulého období tvrdě pracoval na přípravě laseru pro výzkumné aktivity plánované na letošní rok. Úspěšné dokončení prvních experimentů na úrovni 0.5 PW bude klíčovým krokem k zahájení experimentů v režimu velmi vysokých úrovní pulsního výkonu externími uživateli.“ říká Josef Cupal, vedoucí týmu L3-HAPLS.
Zvyšování energie celého systému přes kompresor na úroveň 0,5 PW bylo prováděno postupně v přibližně 30 krocích. Po skončení testování byla provedena důkladná inspekce difrakčních mřížek a dalších optických prvků kompresoru. Systém L3-HAPLS je nyní připraven začít poskytovat krátkopulsní výkonový svazek na úrovni 0.5 PW pro experimentální projekty.
Obrázek 2: Výkonový titan-safírový Beta zesilovač systému L3-HAPLS.
Laserový systém L3-HAPLS představuje novou generaci laserových systémů čerpaných diodami, s vysokou energií a špičkovým výkonem. Laser bude sloužit v mnoha oblastech základního a aplikovaného výzkumu. Mezi jeho nejvýznamnější aplikace patří kompaktní laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské metody nebo generace krátkopulsního rentgenového záření pro mikroskopii s vysokým prostorovým a časovým rozlišením pro materiálový a medicínský výzkum. Počáteční experimenty v centru ELI Beamlines budou zaměřeny na fyziku plazmatu a urychlování iontů.
Laser L3-HAPLS byl navržen, vyvinut a zkonstruován v Lawrence Livermore National Laboratory, ve spolupráci s laserovým týmem ELI Beamlines, který navrhl a realizoval PW kompresor, systém měření parametrů výstupního pulsu a část elektronického řídicího systému. Laser byl dodán do centra ELI Beamlines v červnu 2017 a poskytl první výstřely v polovině roku 2018.
Na vývoji laseru L3-HAPLS spolupracovala celá řada průmyslových partnerů, včetně subjektů z ČR. Tato spolupráce umožnila několik podstatných technologických inovací. Laserový systém L3-HAPLS využívá nejvýkonnější pulsní laserové diody na světě. Jejich vývoj byl v roce 2015 vyznamenán cenou R&D 100 award.
Obr. 3: Tým L3-HAPLS
Zajímavé odkazy:
Pioneering the petawatt regime at ELI Beamlines
Lucia Koubíková, specialistka v oboru laserů, pracující v ELI Beamlines, publikovala článek o laserovém systému L3-HAPLS v LaserFocusWorld:
ELI video
Komora P3 – laser L3-HAPLS poskytuje pulsy pro experiment v interakční komoře P3
