Wyposażenie Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy (LLWM) w IFPiLM obejmuje następujące zestawy badawcze: laser wielkiej mocy Pulsar 10 TW, dwa stanowiska pomiarowe składające się z próżniowych komór plazmowych wyposażonych w układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia.

Laser wielkiej mocy Pulsar 10 TW zakupiono dla LLWM w 2010 roku przy wykorzystaniu środków z projektu HiPER (European High Power Laser Energy Research Facility) [Projekty], środków własnych IFPiLM oraz wsparcia finansowego z MNiSW. W LLWM do pomiarów procesów oddziaływania lasera Pulsar 10 TW z tarczą stosowane są układy diagnostyczne przez lata budowane w IFPiLM oraz nowoczesne układy zbudowane w latach 2011–2013 w ramach projektu Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego (RPO-WM) „Rozbudowa i modernizacja laboratorium laserów wielkiej mocy”, dofinansowywanego ze środków UE. W ramach projektu RPO-WM zbudowano też dwie nowoczesne próżniowe komory plazmowe do badań tych oddziaływań [Projekty].

Laser wielkiej mocy Pulsar
Laser Pulsar o mocy ponad 10 TW generuje ultrakrótkie impulsy o energii do 500 mJ i czasie trwania ~40 fs. Laser składa się z 7 modułów: generatora, boostera, stretchera, wzmacniacza regeneratywnego, dwóch wzmacniaczy wieloprzejściowych oraz kompresora optycznego.
Ciąg impulsów femtosekundowych jest wytwarzany w generatorze z częstotliwością 80 MHz, a następnie przechodzi przez kolejne moduły, gdzie następuje jego modyfikacja celem osiągnięcia wymaganych parametrów. Najpierw wiązka kierowana jest do boostera, gdzie z ciągu impulsów powstających w generatorze wycinany jest jeden impuls z częstotliwością 10 Hz. Laser może także pracować w trybie pojedynczego strzału. W boosterze także poprawiany jest kontrast impulsu. Dalej wiązka przechodzi przez układ stretchera. Tam impuls ulega czasowemu wydłużeniu na siatce dyfrakcyjnej do czasu trwania 300 ps. Tak wydłużony impuls ulega wzmocnieniu 106 razy we wzmacniaczach regeneratywnym i wieloprzejściowym, uzyskując energię do 500 mJ.
Ostatnim elementem lasera jest kompresor optyczny, w którym na siatkach dyfrakcyjnych czas trwania impulsu ulega skróceniu do około 40 fs. Kompresja impulsu odbywa się w komorze próżniowej celem uniknięcia optycznych zjawisk nieliniowych zachodzących w powietrzu pod normalnym ciśnieniem podczas propagacji impulsu laserowego wielkiej mocy. Testy wykazały, że praca lasera jest stabilna i parametry impulsów są powtarzalne. Podczas eksperymentów wykonywany jest pomiar energii impulsu przy każdym strzale. Jest możliwość wprowadzania w tor wiązki lasera głównego wiązki lasera pomocniczego o długości fali i rozbieżności zgodnej z wiązką główną. Laser pomocniczy jest wykorzystany do precyzyjnego ustawiania tarczy bez udziału lasera głównego oraz do innych prac związanych z justowaniem systemu.

Stanowisko do badania oddziaływań laser-materia
Stanowisko do realizacji eksperymentów laserowo-plazmowych zapewnia uzyskiwanie zaplanowanych parametrów wiązki laserowej ogniskowanej na tarczy i warunki zapewniające prawidłowe pomiary elektronów, jonów i promieniowania X, emitowanych z plazmy laserowej. W LLWM zainstalowano dwie niezależne komory plazmowe połączone oddzielnie z optycznym kompresorem impulsu laserowego. Propagacja wiązki kierowanej do każdej z komór eksperymentalnych odbywa się w przewodzie próżniowym. Jest to konieczne dla uniknięcia przebić w powietrzu powodowanych impulsem lasera wielkiej mocy. Do wnętrz komór plazmowych wstawiono płyty montażowe podparte na podłodze niezależnie od obudowy komory. Pozwala to uniknąć drgań i przesunięć związanych z działaniem układu pompowego.
Ciśnienie powietrza w próżniowych komorach plazmowych podczas eksperymentu wynosi 10-6 Tr, co zapewnia odpowiednie warunki do uzyskiwania wiarygodnych wyników badań oddziaływań laser-materia przy wykorzystywaniu tarcz naświetlanych laserem wykonanych z metali, mas plastycznych i tarcz gazowych. Odpowiedni poziom próżni zapewniają układy pompowe, których głównymi elementami są nowoczesne pompy turbomolekularne.
Układ ogniskowania wiązki lasera na tarczy składa się z płaskiego zwierciadła naprowadzającego oraz pozaosiowego zwierciadła parabolicznego. Wiązka wpadająca do komory plazmowej odbija się od zwierciadła płaskiego i pada na zwierciadło paraboliczne, którego oś optyczna jest odchylona od osi mechanicznej pod kątem 30°23’. Dzięki temu wiązka jest ogniskowana w środku komory, gdzie ustawiana jest tarcza.
Układ pozycjonowania tarczy pozwala na ustawienie powierzchni tarczy w płaszczyźnie ogniska z dokładnością do 0,5 µm. Zestaw czterech stolików sterowanych oddzielnie umożliwia przesuwanie tarczy w trzech kierunkach oraz jej obrót. Stoliki są napędzane zdalnie sterowanymi silnikami, co umożliwia przemieszczanie tarczy z rozdzielczością 0,156 µm oraz jej obrót z rozdzielczością 0,015°. Silniki podłączone są do komputerowej stacji kontroli. Powtarzalność ruchu stolików liniowych wynosi 1 µm.
Specjalny układ obserwacyjny zapewnia możliwość obserwowania kraterów powstałych po każdym strzale i precyzyjnego wyboru miejsca na tarczy do oddania kolejnego strzału. Przed strzałem lasera dostępna jest informacja o dokładnej pozycji powierzchni tarczy względem ogniska. Jest możliwość precyzyjnego i szybkiego przesunięcia tarczy bez konieczności otwierania komory. Wykorzystywana jest do tego specjalnie napisana aplikacja, zapewniająca sterowanie stolikami i migawkami, jak również dająca możliwość podglądu obrazu z kamer.

Układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia zbudowane w ramach projektu RPO-WM

Dwa spektrometry Thomsona
Ważnym urządzeniem stosowanym do pomiarów parametrów jonów emitowanych z plazmy laserowej jest spektrometr Thomsona. W spektrometrze tym rozkłady energii jonów wyznaczane są na podstawie kształtu parabol obrazujących w detektorze ślady jonów po przejściu przez układ pól magnetycznych i elektrycznych.
W zbudowanych w IFPiLM spektrometrach zastosowano stałe magnesy i nierównoległe elektrody wytwarzające pole elektrostatyczne. Maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego jest większa niż 4 MV/m, a wielkość maksymalnej indukcji magnetycznej jest nie mniejsza niż 500 mT.
Do zapisywania parabol obrazujących rozkład energii analizowanych jonów zastosowano próżniowy rejestrator obrazu z jednostopniowym wzmacniaczem mikrokanalikowym (średnica wzmacniacza obrazu 40 mm, wzmocnienie około 104).

Polaro-interferometr do badania rozkładów koncentracji elektronowej i pól magnetycznych w plazmie wytwarzanej laserem
Polaro-interferometr został zaprojekowany i zbudowany w OPWL do badań ekspandującej plazmy laserowej prowadzonych w LLWM i w laboratoriach, z którymi zespoły z OPWL współpracują. W skład układu wchodzą następujące podzespoły: dwa dwukanałowe moduły polaro-interferometryczne (2KPI) umieszczone wewnątrz komory plazmowej, układ wprowadzania wiązek diagnostycznych oraz układ separacji i rejestracji kadrów. Moduł 2KPI zawiera następujące elementy: dwa polaryzatory, obiektywy, kliny optyczne, filtry oraz kamery CCD do rejestracji obrazów. Dodatkowo moduł ten jest wyposażony w okienka ochronne.
Zadaniem polaryzatorów jest przestrzenny podział wiązki diagnostycznej na dwa kanały, w których płaszczyzny liniowo spolaryzowanych wiązek są wzajemnie prostopadłe. Oba kanały są równoważne i w zależności od kąta skręcenia jednego polaryzatora względem drugiego mogą pełnić rolę polarymetru bądź układu do fotografii cieniowej. W przypadku całkowitego skrzyżowania polaryzatorów rejestrowany będzie polarogram, natomiast przy dużych skręceniach płaszczyzn polaryzatorów powstaje cieniogram. Umieszczenie w jednym z kanałów klina optycznego powoduje, że kanał ten pełni rolę interferometru.
Układ rejestracji obrazów zainstalowany poza komorą eksperymentalną. Posiada on własne zasilanie i odizolowany jest od zakłóceń elektromagnetycznych. Składa się z czterech kamer CCD umożliwiających rejestrację obrazów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i dynamiką. Każda z kamer wyposażona jest w kasetę z filtrami (interferencyjnymi oraz szarymi). Kamery podłączone są do komputera i są obsługiwane przez specjalną aplikację.

Spektrometr rentgenowski
Do badań spektralnych promieniowania X emitowanego z plazmy laserowej stosowany jest ogniskujący spektrometr z wygiętym kryształem. Rejestracja linii spektralnych połączona z symulacjami pozwala na określenie temperatury i koncentracji plazmy. Kryształ kwarcowy umożliwia rejestrację widma w zakresie spektralnym od 6 do 8 Å. Jako detektor stosowana jest pasywna metoda rejestracji z użyciem klisz RCF odczytywanych w specjalnym czytniku albo kamera CCD typu back-illuminated.
Skonfigurowany spektrometr, po dobraniu odpowiednich odległości poszczególnych elementów spektrometru, to znaczy dystansów: źródło plazmy – kryształ i kryształ – detektor, umieszczono w komorze eksperymentalnej, odpowiednio osłaniając kryształ i detektor.

Szybka, czterokadrowa kamera do rejestracji obrazów plazmy w zakresie ultrafioletu próżniowego i miękkiego promieniowania rentgenowskiego
Stosowana w LLWM czterokadrowa kamera do rejestracji obrazów plazmy w zakresie ultrafioletu próżniowego (VUV) i miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SXR) umożliwia szybką, jednoczesną rejestrację struktury i dynamiki ekspandującej plazmy laserowej w podanych wyżej zakresach spektralnych z rozdzielczością czasową na poziomie pojedynczych nanosekund.
Elementem czynnym pozwalającym na uzyskiwanie obrazów (kadrów) badanego zjawiska jest wzmacniacz obrazu z soczewką elektronooptyczną stosowaną do badań obiektów szybkozmiennych charakteryzujących się wysoką luminancją.
Układ rejestracji składa się z czterech kamer CCD umożliwiających rejestrację obrazów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i dynamiką. Kamery podłączone są do komputera i są obsługiwane przez specjalną aplikację. Pozwala ona na sterowanie pracą kamer, podgląd obrazów z kamer, pozyskiwanie obrazów, eksport zarejestrowanych obrazów do określonych formatów graficznych i przetwarzanie tych obrazów.

Układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia zbudowane przed rozpoczęciem projektu RPO-WM

Elektrostatyczny analizator energii jonów
Układ jest stosowany do określenia z bardzo dużą dokładnością składu i stopnia jonizacji jonów emitowanych z plazmy. Analizator umożliwia ponadto określenie rozkładu energii jonów, a także innych charakterystyk strumienia jonów. Podstawowe elementy analizatora to: cylindryczny, elektrostatyczny układ odchylania jonów o kąt 90 i detektor z otwartym powielaczem elektronowym o wzmocnieniu 107. Analizator został zaprojektowany i zbudowany w IFPiLM i jest urządzeniem unikatowym w skali międzynarodowej.

Kolektory jonów
Kolektor jonów typu puszka Faradaya wykorzystywany jest do określenia podstawowych charakterystyk strumienia jonów na podstawie pomiaru czasu przelotu jonu od tarczy naświetlanej laserem do kolektora. Kolektory jonów umożliwiają określenie: średniej prędkości i średniej energii jonów, całkowitego ładunku jonów i gęstości prądu jonowego oraz rozkładów kątowych emisji jonów z plazmy. W OPWL jest stosowanych kilka rodzajów kolektorów jonów umożliwiających pomiary parametrów strumieni jonów w zakresie kilku rzędów wielkości (w szczególności energii jonów od sub-keV do MeV).

Detektory śladowe do określenia widma energetycznego lekkich jonów i liczby jonów określonego rodzaju
W laboratorium stosuje się głównie detektory śladowe typu CR-39 (PM-355). Są one szczególnie użyteczne przy określaniu widm energetycznych lekkich jonów (np. protonów, jonów węgla) w zakresie energii >1 MeV, w którym pomiar przy użyciu kolektorów jonów jest mało dokładny.

Detektory rentgenowskie różnego rodzaju
Detektory rentgenowskie są stosowane do pomiaru miękkiego i twardego promieniowania rentgenowskiego emitowanego z plazmy laserowej. Są to przede wszystkim detektory krzemowe typu BPYP i FLM o małej pojemności Mają one różne grubości warstwy czynnej i są wyposażone w różne filtry (głównie Al i Be). Stosowane detektory umożliwiają pomiar promieniowania X z plazmy w zakresie 5–20 keV z rozdzielczością sub-nanosekundową. Bardzo szybkie (<100 ps) detektory InP i detektory diamentowe stosowane są do rejestracji impulsów miękkiego promieniowania X i XUV.

Detektory promieniowania rentgenowskiego bez rozdzielczości czasowej
Do pomiaru zintegrowanego w czasie promieniowania rentgenowskiego emitowanego z plazmy laserowej stosowane są w OPWL detektory termoluminescencyjne (TLD), bolometry, fotodiody połączone ze wzmacniaczem ładunkowym i sondy scyntylacyjne ze scyntylatorami Cs(Tl) albo plastikowymi. Detektory TLD i bolometry mogą być użyte do kalibracji innych detektorów. Dwuwymiarowy obraz obszaru emitującego promieniowanie X uzyskuje się za pomocą kamery otworkowej (pinhole camera) wyposażonej w film rentgenowski albo w optyczną kamerę CDD pozbawioną szklanego okienka. Powyższe detektory mogą być używane przy stosowaniu wybranej grubości warstwy martwej i warstwy czynnej oraz przy użyciu odpowiedniego filtru absorpcyjnego.

logo EUROfusion logo LaserLab Logo UE
Początek strony