Eine Laserhalle der National Ignition Facility . Die Trägheitsfusion ist eine der wichtigsten Anwendungen von Hochleistungslasern im Petawattbereich.

Diese Seite enthält eine Liste von Petawatt- Lasern, die sich im Betrieb, im Bau oder in Planung befinden. Die Liste basiert auf bestehenden wissenschaftlichen Übersichten. [ 1 ] [ 2 ]

Ein Petawatt-Laser ist typischerweise definiert als ein Lasersystem, dessen Pulsenergie, dividiert durch seine Pulsdauer, in der Größenordnung von 10<sup> 15</sup> W bzw. 1 Petawatt liegt. Diese Hochleistungslaserpulse sind in der Lage, ein starkes elektromagnetisches Feld zu erzeugen , was zu einer Reihe neuartiger Anwendungen führt. Beispielsweise erzeugt die Fokussierung einer großen Anzahl von Lasern im Petawatt-Bereich auf ein Target mit Deuterium und Tritium eine ausreichende Energiedichte für die Trägheitsfusion . Eine weitere mögliche Anwendung ist die Nutzung starker elektrischer Felder von Petawatt-Laserpulsen zur Erzeugung steiler Dichtegradientenstrukturen in einem Plasma . Diese Feldgradienten können Teilchen auf einer deutlich kürzeren Strecke als mit einem Linearbeschleuniger beschleunigen ; dieses Konzept ist als Laser-Wakefield-Beschleunigung bekannt . Da der Laserpuls selbst extrem hohe Feldstärken erreicht, kann die Wechselwirkung des hochenergetischen Teilchenstrahls mit einem Petawatt-Laserpuls zu Wechselwirkungen mit Intensitäten jenseits der Schwinger-Grenze führen . Dies ermöglicht die Beobachtung von Effekten wie Vakuumpolarisation und Breit-Wheeler-Prozessen . [ 3 ]

Die Erzeugung eines Petawatt-Laserpulses erfordert extrem kurze Pulsdauern: Um eine Leistung von 1 Petawatt zu erreichen, benötigt ein 1-Joule-Laserpuls eine Dauer von <1 fs (< 10⁻¹⁵ Sekunden ). Alle Petawatt-Systeme (mit Ausnahme der National Ignition Facility ) nutzen die Technik der Chirped Pulse Amplification (CPA ). Dabei werden gechirpte, zeitlich gedehnte Laserpulse verstärkt, bevor sie zu Femtosekunden-Pulsen mit extrem hoher Intensität komprimiert werden. Für Lasersysteme mit hohen Pulsenergien wird typischerweise Nd:Glas als Verstärkungsmedium verwendet , da sich daraus sehr große Kristalle züchten lassen. Für Laserpulse im Femtosekundenbereich wird häufig Ti:Saphir eingesetzt, um dessen breites Laserspektrum zu nutzen. Nur solche Laser lassen sich aufgrund der Fourier-Beziehungen zwischen der zeitlichen und spektralen Breite des Pulssignals zu ultrakurzen Pulsen komprimieren .

Petawatt-Laser

Die folgende Liste enthält Lasersysteme mit Spitzenleistungen im Petawattbereich. Obwohl es keine präzise Definition für Laser im Petawattbereich gibt, umfasst die Liste alle Systeme mit einer Spitzenleistung von mindestens 0,5 PW.

Einrichtung Institution Standort Einstufung Impulsenergie (J) Impulsdauer (fs) Spitzenleistung (PW) Status
NovaLawrence Livermore Nationales LaboratoriumVereinigte StaatenNd:Glas660 440 1,5 Außer Dienst gestellt
NIF-ARCLawrence Livermore Nationales LaboratoriumVereinigte StaatenNd:Glas 400–1700 1300–38 000 1,5 Betrieb
Texas Petawatt Laser [ 4 ] [ 5 ]Universität von Texas, AustinVereinigte StaatenNd:Glas 186 167 1.1 Ausgesetzt [ 5 ]
Z-PW Sandia National LaboratoriesVereinigte StaatenNd:Glas 500 500 1 Betrieb
SG-II-PW [ 6 ]Shanghai Institut für Optik und Feinmechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (SIOM) ChinaNd:Glas 1000 1000 1 Betrieb
VulkanZentrale Laseranlage , Rutherford Appleton LaboratoriumVereinigtes KönigreichNd:Glas 500 500 1 Betrieb
Optische parametrische Chirped-Pulse-Verstärkung (OPCPA) 400 20 20 Design
OrionAtomwaffeneinrichtungVereinigtes KönigreichNd:Glas 500 500 1 Betrieb
PHELIXGSI HelmholtzDeutschlandNd:Glas 250 400 0,625 Betrieb
LMJ-PETALCEA CestaFrankreichNd:Glas 850 700 1.15 Betrieb
GEKKO XII-LFEXUniversität OsakaJapanNd:Glas 3000 1500 2 Betrieb
ELI-B L4 [ 7 ]Extreme LichtinfrastrukturTschechische RepublikNd:Glas 1500 150 10 Kommission
ELI-NP [ 8 ]Extreme LichtinfrastrukturRumänienOPCPA Ti:Saphir242 22.3 10.9 Betrieb
ELI-B L3 HAPLS [ 7 ]Extreme Lichtinfrastruktur Lawrence Livermore National LaboratoryTschechische Republik

Vereinigte Staaten

Ti:Saphir 30 30 1 bei 10 Hz Kommission
ELI-ALPS HF [ 9 ]Extreme LichtinfrastrukturUngarnOPCPA 34 17 2 bei 10 Hz Kommission
Apollon [ 10 ]CNRS École polytechniqueFrankreichOPCPA Ti:Saphir 150 15 10 Kommission
DRACO [ 11 ]Helmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfDeutschlandTi:Saphir 30 30 1 Betrieb
ATLAS [ 12 ]Technische Universität München LMU MünchenDeutschlandTi:Saphir 60 25 2,4 bei 1 Hz Betrieb
PENELOPE [ 13 ]Helmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfDeutschlandYb :Glas/CaF 2150 150 1 bei 1 Hz Konstruktion
CETAL [ 14 ]INFLPRRumänienTi:Saphir 25 25 1 Betrieb
PEARL [ 15 ]Institut für Angewandte Physik , Russische Akademie der WissenschaftenRusslandTi:Saphir 24 43 0,56 Betrieb
OPCPA 4 - 5 Konstruktion
VEGA-3 [ 16 ]Universität von SalamancaSpanienTi:Saphir 30 30 1 bei 1 Hz Betrieb
Zwillinge [ 17 ]Zentrale Laseranlage , Rutherford Appleton LaboratoriumVereinigtes KönigreichTi:Saphir 15 30 0,5 Betrieb
EPAC [ 18 ]30 30 1 bei 10 Hz Konstruktion
ALEPH [ 19 ]Colorado State UniversityVereinigte StaatenTi:Saphir 26 30 0,87 bei 3,3 Hz Betrieb
BELLA [ 20 ]Lawrence Berkeley National LaboratoryVereinigte StaatenTi:Saphir 40 30 1.3 Betrieb
DIOKLES [ 21 ]Universität von Nebraska-LincolnVereinigte StaatenTi:Saphir 20 30 0,7 Ausgesetzt [ 22 ]
ZEUS [ 23 ]Universität von MichiganVereinigte StaatenTi:Saphir 75 25 3 Kommission
12,5 25 0,5
NSF OPAL [ 24 ]Labor für Laserenergetik , Universität RochesterVereinigte StaatenOPCPA 550 20 25 Design
XL-III [ 25 ]Institut für Physik, Chinesische Akademie der WissenschaftenChinaTi:Saphir 32 28 1.16 Betrieb
Huairou PW [ 26 ]25 25 1 Betrieb
CLAPA-II [ 26 ]Universität PekingChinaOPCPA Ti:Saphir 60 30 2 Kommission
BAQIS PW [ 26 ]Tsinghua-UniversitätChinaTi:Saphir 30 30 1 bei 1 Hz Kommission
CAEP-PW [ 27 ]Chinesische Akademie für IngenieurphysikChinaOPCPA 91.1 18.6 4.9 Betrieb
SULF [ 28 ]SIOM ShanghaiTech UniversitätChinaTi:Saphir 216 21 10.3 Betrieb
TDLI LAP [ 26 ]Shanghai Jiao Tong UniversitätChinaTi:Saphir 80 22 2,5 Konstruktion
SG-II-5 PW [ 29 ]SIOMChinaOPCPA 150 30 5 Konstruktion
SEL-100 PW [ 30 ]Shanghai High Repetition Rate XEFL and Extreme Light FacilityChinaOPCPA 1500 15 100 Konstruktion
CoReLS [ 31 ]Zentrum für Relativistische Laserwissenschaft, Institut für GrundlagenforschungSüdkoreaTi:Saphir 83 19.4 4.2 Betrieb
J-KAREN [ 32 ]Nationale Institute für Quantenwissenschaft und -technologieJapanOPCPA Ti:Saphir 28/30 33/30 0,85/1 Betrieb
RRCAT Raja Ramanna Zentrum für fortgeschrittene TechnologienIndienTi:Saphir 25 25 1 bei 0,1 Hz Betrieb
TRISHUL [ 33 ]Tata Institut für Grundlagenforschung HyderabadIndienTi:Saphir 25 25 1 bei 1 Hz Konstruktion

Hochleistungslaser

Eine Reihe von Petawatt- oder Sub-Petawatt-Lasersystemen zeichnet sich durch ihre Fähigkeit zum Betrieb mit hohen Repetitionsraten (HRR) aus. Diese Lasersysteme sind Hochleistungslaser (HAP-Laser), die über einen makroskopischen Zeitraum gemittelt eine hohe Leistung liefern und gleichzeitig innerhalb eines einzelnen Pulses Terawatt- oder Petawatt-Spitzenleistungen erreichen. HAP-Petawatt-Laser sind entscheidend für zukünftige Anwendungen von Petawatt-Lasersystemen, wie z. B. kompakte Lichtquellen, Beschleuniger der nächsten Generation oder Protonenquellen für die Strahlentherapie. In wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen verbessern sie zudem die Effizienz von Experimenten erheblich, indem sie die Erfassung einer wesentlich größeren Menge an experimentellen Daten innerhalb derselben Strahlzeit ermöglichen. Andererseits stellt die Entwicklung und der Betrieb von Petawatt-Lasersystemen mit hohen Repetitionsraten eine immense technische Herausforderung dar, da das Lasersystem die großen Mengen an überschüssiger Wärme, die bei der Anregung mit einer viel höheren Frequenz entstehen, sowie thermische Effekte, die die Strahlqualität beeinträchtigen, bewältigen muss. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Hochleistungslasertechnologie [ 2 ] , wie etwa Pumpverfahren, Pumplichtquellen und kryogene Kühlung, zur Entstehung einer neuen Klasse von HAP-Lasersystemen geführt.

Angesichts der Bedeutung von Lasern mit hoher mittlerer Leistung als zukünftige Weiterentwicklung von Petawatt-Lasern enthält die folgende Liste Lasersysteme mit einer Spitzenleistung von ≥ 100 TW und einer mittleren Leistung von ≥ 100 W. Es ist zu beachten, dass einige der aufgeführten Laser bereits zur Petawatt-Klasse gehören.

Einrichtung Institution Standort Einstufung Impulsenergie (J) Impulsdauer (fs) Spitzenleistung (PW) Wiederholrate (Hz) Durchschnittliche Leistung (kW) Status
ELI-B L2 DUHA [ 34 ]Extreme LichtinfrastrukturTschechische RepublikOPCPA 3 25 0,12 50 0,15 Kommission
ELI-B L3 HAPLS Extreme Lichtinfrastruktur Lawrence Livermore National LaboratoryTschechische Republik

Vereinigte Staaten

Ti:Saphir 30 30 1 10 0,3 Kommission
ELI-ALPS HF Extreme LichtinfrastrukturUngarnOPCPA 34 17 2 10 0,34 Kommission
LAPLACE-HC [ 35 ]Laboratoire d'optique-ApplikationFrankreichTi:Saphir 1 25 0,04 100 0,1 Konstruktion
PENELOPE Helmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfDeutschlandYb :Glas/CaF 2150 150 1 1 0,15 Konstruktion
KALDERA [ 36 ]DESYDeutschlandTi:Saphir 3 30 0,1 1000 3 Konstruktion
EPAC Zentrale Laseranlage , Rutherford Appleton LaboratoriumVereinigtes KönigreichTi:Saphir 30 30 1 10 0,3 Konstruktion
k-BELLA [ 20 ]Lawrence Berkeley National LaboratoryVereinigte StaatenTi:Saphir 3 30 0,1 1000 3 Design
SHARC [ 37 ]LCLS-II Lawrence Livermore National LaboratoryVereinigte StaatenNd:Glas 150 150 1 10 1,5 Design
FAT [ 38 ]Lawrence Livermore Nationales LaboratoriumVereinigte StaatenTm : YLF30 100 0,3 10000 300 Konstruktion
  • NOVA, der erste Laser der Petawatt-Klasse, im Lawrence Livermore National Laboratory, USA
    NOVA, der erste Laser der Petawatt-Klasse, im Lawrence Livermore National Laboratory, USA
  • Der GEKKO XII-Laser an der Universität Osaka, Japan
    Der GEKKO XII-Laser an der Universität Osaka, Japan
  • Das L3 HAPLS-System an der ELI-Beamline, Tschechische Republik
    Das L3 HAPLS-System an der ELI-Beamline, Tschechische Republik
  • Beugungsgitter des OMEGA EP-Lasers, das die von der mehrschichtigen dielektrischen Beschichtung (MLD) reflektierten Farben zeigt
    Beugungsgitter des OMEGA EP-Lasers, das die von der mehrschichtigen dielektrischen Beschichtung (MLD) reflektierten Farben zeigt
  • Ein Bild, das die Interaktionskammer des Apollon-Lasers während der Inbetriebnahme zeigt.
    Ein Bild, das die Interaktionskammer des Apollon-Lasers während der Inbetriebnahme zeigt.
  • Ein Mehrfachdurchgangsverstärker des DRACO-Lasers am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland
    Ein Mehrfachdurchgangsverstärker des DRACO-Lasers am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland

Siehe auch

Referenzen

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