高功率激光驱动器受激拉曼散射控制的关键问题研究

摘要

有效控制高功率激光脉冲传输放大过程中各类非线性效应一直是高功率激光驱动器研究的重点内容之一。其中，空气中受激转动拉曼散射(Stimulated Rotational RamanScattering，SRRS)效应限制了激光脉冲长程传输的强度（峰值功率）或传输距离;大口径KDP晶体中横向受激拉曼散射(Transverse Stimulated Raman Scattering，TSRS)和大口径熔石英元件中横向受激布里渊散射(Transverse Stimulated Brillouin Scattering，TSBS)效应共同限制了三倍频激光脉冲的强度，与自聚焦效应（包括小尺度自聚焦和全光束自聚焦）共同构成驱动器总体输出能力的主要受限因素，通常称为“功率受限条件”。
　　研制以聚变点火为主要目标、输出能力高达兆焦耳激光能量的巨型高功率激光驱动器，有效控制各类非线性效应既是确保光束质量和谐波转换效率的基本要求，也是驱动器安全、稳定运行的必要条件。同时，积极探索并研究突破“功率受限”的新技术途径，不但有可能在相同条件下有效提升驱动器输出能力，更将丰富高功率激光科学与技术基础理论，为高功率激光驱动器的持续发展提供必要的技术支撑。
　　为有效提升兆焦耳级高功率激光驱动器总体输出能力、降低研制成本，将驱动器运行通量进行了较大幅度的提升。其中，基频光(1ω)部分由浅度饱和放大区(FL～Fs)提高到深度饱和放大区(FL≥3Fs)，运行通量达到(12～15)J/cm2;三倍频(3ω)运行通量也将提高数倍，达到(6～8)J/cm2;同时驱动器总体规模显著提升，因此高功率激光脉冲传输过程中受激拉曼散射效应(Stimulated Raman Scattering，SRS，包括TSRS与SRRS)的控制难度显著增加。一方面上百束光束的编组，使得1ω脉冲长程传输不可避免，已无法简单地通过在设计上缩短编组站光束管道长度控制空气中SRRS效应。另一方面，在包含谐波转换、谐波分离、光束聚焦、靶面光强控制、测量取样等系列3ω功能元件的终端光学系统中，“3ω短程传输”虽然为有效控制高功率3ω激光脉冲传输的SRRS效应创造了条件，但引入了高通量运行中杂散光、有机挥发物等对3ω元件的循环“污染”难以控制的难题，增加了元件损伤几率，进而限制驱动器总体输出能力。因此，在高功率3ω激光脉冲安全传输的距离内，适度拉开终端光学系统各光学元件的距离，有助于改善3ω元件运行环境，降低循环“污染”的影响，无疑对提升驱动器总体负载能力有利。
　　总之，在兆焦耳级高功率激光驱动器研制中，不能简单沿用“传统”的设计方法，以高功率脉冲传输的强度·距离积(Intensity-Length product，IL)判据定性地判断SRS对驱动器总体性能的影响程度，必须进一步研究其产生与增长规律，为总体设计及运行中SRS效应的主动控制奠定必要的理论基础。
　　本论文立足前人研究基础，重点研究高功率激光脉冲长程传输中SRRS和大口径KDP晶体中TSRS效应产生、增长的机理与规律，为兆焦耳级高功率激光驱动器总体设计中定量控制SRS效应提供必要的理论与实验基础;同时，提出利用“横向运动光束”抑制SRRS增长的研究思路，为突破高功率激光驱动器“功率受限条件”提供了新的研究途径。论文主要研究内容与取得的主要进步点总结如下:
　　1、研究并完善了SRRS物理模型，建立模拟程序，定量研究了高功率激光脉冲SRRS产生与增长规律的时域与空域特性，完成了物理模型和数值程序的实验验证，为兆焦耳级高功率激光驱动器总体设计中定量控制长程传输SRRS效应提供了必需的分析手段和实验依据。
　　建立了SRRS四维数值模型，可跟踪具有任意空域及时域分布的基频或三倍频激光脉冲在线性衍射与SRRS非线性过程共同作用下，自身及产生的斯托克斯(Stokes)光场的时-空演变特性。与国内外实验报道以及近期开展于神光-Ⅲ原型装置的实验结果校核，该数值模型的准确性得到了充分验证。研究结果表明，激光脉冲的近场分布及口径、时域调制及脉宽等都将影响SRRS增长过程。另外，SRRS的增长呈明显的阈值特性，一旦入射激光脉冲能量的1％转换为Stokes，传输距离的微小增加将导致入射脉冲能量迅速损耗、Stokes急剧增长;时域上入射脉冲下降沿提前，脉宽变窄;空域上，Stokes光近场呈现深调制的散斑分布，峰值功率密度迅速增长为入射脉冲强度的数倍。
　　2、根据SRRS产生、增长的机理与规律，提出基于“横向运动光束”抑制SRRS增长的研究思路，基于“光谱角扫描”原理，完成了抑制机理和规律的初步研究，得到了部分有意义的研究成果，初步验证了“横向运动光束”抑制SRRS增长的科学可行性，为高功率激光驱动器有效控制SRRS、突破功率受限条件提供了一条有希望的技术途径。
　　以起源于自发辐射噪声的SRS过程中初始Stokes场呈“噪声”特性为突破点，考虑到“噪声”尖峰是SRS增长的主要贡献者，引入光束“横向运动”的概念，使得“噪声”尖峰处SRS效应（光与原子系统相互作用）由“宏观”稳态过程变为“微观”瞬态过程，拉曼增益显著下降。以“光谱角扫描”光束作为“横向运动光束”的一个例子，理论上证明了上述思路抑制SRS效应的可行性。
　　3、开展了高通量运行条件下，大口径KDP晶体内部TSRS效应的理论研究，建立了物理模型和数值模拟程序，完成了关键因素的定量研究，为有效控制TSRS效应奠定必要的理论基础。
　　建立了大口径元件中TSRS效应数值模型，计算了TSRS过程中产生的Stokes光在晶体内分布，与实验观察到的晶体损伤形貌基本吻合，初步证明TSRS效应与晶体高通量运行损伤间的关系;推导了Stokes光强增长的解析解，可直接计算任意光束口径及脉宽，任意晶体口径及边缘反射率条件下Stokes光场峰值强度，明确各参量对Stokes增长的定量影响关系，为TSRS的有效控制提供了必要的分析手段。
　　本论文建立的SRRS与TSRS数值模型与模拟软件，虽已与国内外相关实验结果校核，证明了具有一定的置信度，但仍需开展系列验证实验对其进一步完善。由于实验条件限制，论文仅开展了高功率激光脉冲长程传输SRRS效应的定量实验研究，而对于大口径晶体中TSRS效应，只有定性的实验现象。另外，论文研究的基于“横向运动光束”控制高功率激光脉冲非线性传输效应的技术途径还不成熟，论文虽然基于现阶段发展相对成熟的“光谱角扫描”技术，进行了抑制机理和规律的初步研究，但仍需要从理论与验两方面对该一技术途径进行完善。除此之外，“光谱角扫描”之外其它“横向运动光束”的实现途径，“横向运动光束”线性传输与非线性传输的物理图像及传输过程中光束时-空分布的控制等问题都值得开展更深入的理论研究与实验验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高功率激光驱动惯性约束聚变概述

1．2 高功率激光驱动器总体输出能力的功率受限条件

1．2．1 高功率基频激光脉冲长程空气传输SRRS效应

1．2．2 高功率三倍频激光脉冲长程空气传输SRRS效应

1．2．3 大口径KDP晶体中TSRS效应

1．3 高功率驱动器受激拉曼散射效应研究现状

1．3．1 空气中受激转动拉曼散射效应

1．3．2 大口径KDP晶体中横向受激拉曼散射效应

1．4 论文内容安排

第二章 受激拉曼散射基本特性

2．1 SRS物理图像

2．1．1 自发拉曼散射

2．1．2 受激拉曼散射

2．2 SRS数值模型

2．3 SRS时-空演变特性简述

2．4 瞬态SRS与稳态SRS

2．4．1 稳态SRS

2．4．2 瞬态SRS

2．5 窄带泵浦SRS与宽带泵浦SRS

2．6 本章小结

第三章 高功率激光脉冲长程传输受激转动拉曼散射

3．1 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS效应物理图像

3．2 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS效应数值研究

3．2．1 数值模型

3．2．2 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS效应基本特征

3．2．3 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS阈值影响因素

3．3 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS效应实验研究

3．3．1 实验装置及参数

3．3．2 实验结果及分析

3．3．3 兆焦耳级高功率激光驱动器中SRRS效应

3．4 高功率激光脉冲长程空气传输SRRS抑制方法研究

3．4．1 减小泵浦脉冲强度

3．4．2 减短泵浦脉冲传输距离

3．4．3 减小介质稳态拉曼增益系数

3．5 本章小结

第四章 基于“横向运动光束”控制光散射效应的初步研究

4．1 问题的提出

4．2 破解SRRS效应“微观”增长机理

4．2．1 “近场滤波”

4．2．2 “退相干法”

4．2．3 “横向运动光束”

4．3 “横向运动光束”有效抑制SRRS效应初步验证

4．4 “横向运动光束”对SRRS效应抑制机制初步研究

4．5 本章小结

第五章 大口径KDP晶体横向受激拉曼散射

5．1 大口径KDP晶体TSRS物理图像

5．2 大口径KDP晶体TSRS效应增长规律

5．2．1 数值模型

5．2．2 散射光增长规律

5．2．3 散射光分布

5．3 大口径KDP晶体侧边处理对TSRS有效效应控制的影响

5．4 本章小结

第六章 论文总结

6．1 论文基本结论

6．2 论文的不足之处与今后研究重点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

参加学术活动情况

攻读硕士期间获奖情况