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)換為有效的輻射場能量。激光與等離子體相互作用時，激光能量除了通過逆韌致機制被吸收和傳輸，還會激發(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對稱性。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)測的現(xiàn)象。由于上述原因，激光與等離子體相互作用帶來的不確定性已經(jīng)成為實現(xiàn)點火的最大風(fēng)險之一，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等離子體參量不穩(wěn)定性的抑制為主線，利用PIC模擬和實驗，對單色、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行了研究。數(shù)值模擬和初步實驗結(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點火的一種新驅(qū)動模式進行深入研究。
　　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、增長率和閾值等，尤其強調(diào)了模耦合方程方法的重要地位。
　　2.以未來點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)定性的各種機制，包括摻雜改變線性Landau阻尼、靜電波俘獲粒子、次級參量過程、泵波衰竭等。
　　3.驅(qū)動器方面，在間接驅(qū)動ICF中，抑制參量不穩(wěn)定性決定了束勻滑的物理設(shè)計，我們以此為出發(fā)點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)頻為代表的時間域勻滑。
　　4.PIC模擬從Maxwell方程和粒子運動方程出發(fā)，建模接近第一性原理，因

5、此在等離子體細致物理機制的研究中具有重要作用。我們利用一維PIC模擬，對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行了分析。重點關(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)射的時間行為。雖然SRS散射光峰值反射率可以達到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增大而飽和的趨勢。
　　5.啁啾激光算例中，激光單啁啾時，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)激光帶寬遠大于普通情況下SRS的增長率時(δω/γ0,R＞10)，對

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

8、數(shù)量關(guān)系不大，但在帶寬遠大于增長率時(δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％)，基本趨勢表現(xiàn)為啁啾數(shù)量越多，SBS份額越小。
　　6.我們利用星光Ⅱ裝置進行了一輪啁啾調(diào)頻激光與等離子體作用的探索實驗。激光以1053nm(基頻)波長、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。為了和國內(nèi)早期實驗比對，實驗中我們采用了Ta盤靶、Au盤靶、CH襯Au盤，發(fā)泡Au盤靶和Au腔靶等靶型，