啁啾激光抑制等離子體參量不穩(wěn)定性的研究.pdf

1、間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion: ICF)物理中，激光入射腔（靶）產(chǎn)生等離子體并與之相互作用是能量耦合的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它將直接決定能有多少入射能量轉(zhuǎn)換為有效的輻射場(chǎng)能量。激光與等離子體相互作用時(shí)，激光能量除了通過逆韌致機(jī)制被吸收和傳輸，還會(huì)激發(fā)各種參量不穩(wěn)定性(SBS，SRS，成絲等)，大幅降低激光—靶丸耦合效率并破壞輻射場(chǎng)對(duì)稱性。另外，當(dāng)各種參量不穩(wěn)定性發(fā)展到一定的水平，它們之間還會(huì)發(fā)生耦合

2、和關(guān)聯(lián)，使激光與等離子體相互作用呈現(xiàn)十分復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。由于上述原因，激光與等離子體相互作用帶來(lái)的不確定性已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的最大風(fēng)險(xiǎn)之一，因此，研究和理解激光與等離子體相互作用過程，抑制以SBS和SRS為主的參量不穩(wěn)定性一直在激光聚變研究中占有重要地位。
　　本論文以探索啁啾激光對(duì)等離子體參量不穩(wěn)定性的抑制為主線，利用PIC模擬和實(shí)驗(yàn)，對(duì)單色、單啁啾和多啁啾激光與等離子體相互作用的一些物理問題進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)

3、果均表明，超寬帶啁啾脈沖激光具有抑制參量不穩(wěn)定性的性能，值得作為ICF點(diǎn)火的一種新驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行深入研究。
　　本論文的主要工作有:
　　1.理論方面，系統(tǒng)地回顧和梳理了描述參量過程的全波解方程、Nishikawa方程和模耦合方程，利用這些方法推導(dǎo)了均勻和非均勻等離子體中SBS和SRS的色散關(guān)系、增長(zhǎng)率和閾值等，尤其強(qiáng)調(diào)了模耦合方程方法的重要地位。
　　2.以未來(lái)點(diǎn)火條件下大尺度均勻等離子體為牽引，回顧了靶物理背景下抑制

4、參量不穩(wěn)定性的各種機(jī)制，包括摻雜改變線性Landau阻尼、靜電波俘獲粒子、次級(jí)參量過程、泵波衰竭等。
　　3.驅(qū)動(dòng)器方面，在間接驅(qū)動(dòng)ICF中，抑制參量不穩(wěn)定性決定了束勻滑的物理設(shè)計(jì)，我們以此為出發(fā)點(diǎn)回顧了與激光束相關(guān)的各種抑制參量不穩(wěn)定性的理論和手段，包括以RPP、CPP、PS為代表的空間域勻滑，和以SSD、ISI和啁啾調(diào)頻為代表的時(shí)間域勻滑。
　　4.PIC模擬從Maxwell方程和粒子運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，建模接近第一性原理，因

5、此在等離子體細(xì)致物理機(jī)制的研究中具有重要作用。我們利用一維PIC模擬，對(duì)Te=817eV，Ti=255eV, mi=50000me, Z=1, L=50λ0,1×1014～1×1016Wcm-2, tpulse=16000τ0, ne=0.1nc條件下的激光與均勻等離子體作用過程進(jìn)行了分析。重點(diǎn)關(guān)注了單色激光算例中，EPW由于發(fā)生非線性頻移和LDI而飽和，讓SRS散射光呈現(xiàn)多次發(fā)射的時(shí)間行為。雖然SRS散射光峰值反射率可以達(dá)到30％，但

6、是積分份額小于2％。相同算例中，由于SBS未發(fā)生類似動(dòng)理學(xué)現(xiàn)象，且二維的TID不能發(fā)生，所以SBS散射光份額較大(10％～30％)且沒有顯示出明顯的隨光強(qiáng)增大而飽和的趨勢(shì)。
　　5.啁啾激光算例中，激光單啁啾時(shí)，我們采用了多種不同帶寬(δω/ω0=0.2％，δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％，δω/ω0=6％，δω/ω0=20％等)的激光與等離子體作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光帶寬遠(yuǎn)大于普通情況下SRS的增長(zhǎng)率時(shí)(δω/γ0,R＞10)，對(duì)

7、SRS也沒有影響。當(dāng)激光帶寬遠(yuǎn)大于普通情況下SBS的增長(zhǎng)率時(shí)(δω/γ0,B＞10)，啁啾帶寬能通過直接降低SBS增長(zhǎng)率的方式來(lái)降低SBS散射光份額。激光多啁啾時(shí)，采用δω/ω0=0.2％，δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％這三種帶寬，在tpulse=16000τ0的激光作用時(shí)間內(nèi)分別設(shè)置了10、20、50、100個(gè)啁啾，模擬結(jié)果顯示，在這種帶寬下啁啾數(shù)量對(duì)SRS沒有影響;而SBS份額在激光帶寬較小時(shí)(δω/ω0=0.2％)，與啁啾

8、數(shù)量關(guān)系不大，但在帶寬遠(yuǎn)大于增長(zhǎng)率時(shí)(δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％)，基本趨勢(shì)表現(xiàn)為啁啾數(shù)量越多，SBS份額越小。
　　6.我們利用星光Ⅱ裝置進(jìn)行了一輪啁啾調(diào)頻激光與等離子體作用的探索實(shí)驗(yàn)。激光以1053nm(基頻)波長(zhǎng)、約8nm譜寬、1ns脈寬和1OOJ能量入射，靶面功率密度約為5×1013～7×1014W/cm2。為了和國(guó)內(nèi)早期實(shí)驗(yàn)比對(duì)，實(shí)驗(yàn)中我們采用了Ta盤靶、Au盤靶、CH襯Au盤，發(fā)泡Au盤靶和Au腔靶等靶型，