啁啾激光抑制等离子体参量不稳定性的研究

摘要

间接驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion: ICF)物理中，激光入射腔（靶）产生等离子体并与之相互作用是能量耦合的第一个环节，它将直接决定能有多少入射能量转换为有效的辐射场能量。激光与等离子体相互作用时，激光能量除了通过逆韧致机制被吸收和传输，还会激发各种参量不稳定性(SBS，SRS，成丝等)，大幅降低激光—靶丸耦合效率并破坏辐射场对称性。另外，当各种参量不稳定性发展到一定的水平，它们之间还会发生耦合和关联，使激光与等离子体相互作用呈现十分复杂且难以预测的现象。由于上述原因，激光与等离子体相互作用带来的不确定性已经成为实现点火的最大风险之一，因此，研究和理解激光与等离子体相互作用过程，抑制以SBS和SRS为主的参量不稳定性一直在激光聚变研究中占有重要地位。
　　本论文以探索啁啾激光对等离子体参量不稳定性的抑制为主线，利用PIC模拟和实验，对单色、单啁啾和多啁啾激光与等离子体相互作用的一些物理问题进行了研究。数值模拟和初步实验结果均表明，超宽带啁啾脉冲激光具有抑制参量不稳定性的性能，值得作为ICF点火的一种新驱动模式进行深入研究。
　　本论文的主要工作有:
　　1.理论方面，系统地回顾和梳理了描述参量过程的全波解方程、Nishikawa方程和模耦合方程，利用这些方法推导了均匀和非均匀等离子体中SBS和SRS的色散关系、增长率和阈值等，尤其强调了模耦合方程方法的重要地位。
　　2.以未来点火条件下大尺度均匀等离子体为牵引，回顾了靶物理背景下抑制参量不稳定性的各种机制，包括掺杂改变线性Landau阻尼、静电波俘获粒子、次级参量过程、泵波衰竭等。
　　3.驱动器方面，在间接驱动ICF中，抑制参量不稳定性决定了束匀滑的物理设计，我们以此为出发点回顾了与激光束相关的各种抑制参量不稳定性的理论和手段，包括以RPP、CPP、PS为代表的空间域匀滑，和以SSD、ISI和啁啾调频为代表的时间域匀滑。
　　4.PIC模拟从Maxwell方程和粒子运动方程出发，建模接近第一性原理，因此在等离子体细致物理机制的研究中具有重要作用。我们利用一维PIC模拟，对Te=817eV，Ti=255eV, mi=50000me, Z=1, L=50λ0,1×1014～1×1016Wcm-2, tpulse=16000τ0, ne=0.1nc条件下的激光与均匀等离子体作用过程进行了分析。重点关注了单色激光算例中，EPW由于发生非线性频移和LDI而饱和，让SRS散射光呈现多次发射的时间行为。虽然SRS散射光峰值反射率可以达到30％，但是积分份额小于2％。相同算例中，由于SBS未发生类似动理学现象，且二维的TID不能发生，所以SBS散射光份额较大(10％～30％)且没有显示出明显的随光强增大而饱和的趋势。
　　5.啁啾激光算例中，激光单啁啾时，我们采用了多种不同带宽(δω/ω0=0.2％，δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％，δω/ω0=6％，δω/ω0=20％等)的激光与等离子体作用，发现当激光带宽远大于普通情况下SRS的增长率时(δω/γ0,R＞10)，对SRS也没有影响。当激光带宽远大于普通情况下SBS的增长率时(δω/γ0,B＞10)，啁啾带宽能通过直接降低SBS增长率的方式来降低SBS散射光份额。激光多啁啾时，采用δω/ω0=0.2％，δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％这三种带宽，在tpulse=16000τ0的激光作用时间内分别设置了10、20、50、100个啁啾，模拟结果显示，在这种带宽下啁啾数量对SRS没有影响;而SBS份额在激光带宽较小时(δω/ω0=0.2％)，与啁啾数量关系不大，但在带宽远大于增长率时(δω/ω0=0.6％，δω/ω0=2％)，基本趋势表现为啁啾数量越多，SBS份额越小。
　　6.我们利用星光Ⅱ装置进行了一轮啁啾调频激光与等离子体作用的探索实验。激光以1053nm(基频)波长、约8nm谱宽、1ns脉宽和1OOJ能量入射，靶面功率密度约为5×1013～7×1014W/cm2。为了和国内早期实验比对，实验中我们采用了Ta盘靶、Au盘靶、CH衬Au盘，发泡Au盘靶和Au腔靶等靶型，通过改变激光光强、入射角度和靶型材料，考察了宽频谱基频激光驱动下的背反散射光强度和谐波特性。实验结果显示，(a)二次谐波很弱，最大份额不会超过4×10-4。(b)SRS背反最大份额不超过0.56％，远小于以前国内类似条件实验(＞10％)。(c)激光入射Au腔靶时，SBS背反最大份额14.3％，略小于神光-Ⅰ上腔靶实验中SBS背反份额(20～30％)。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 绪论—受控热核聚变

1．2 激光等离子体物理(LPI)在激光驱动ICF中的作用和地位

1．3 论文的主要内容和安排

参考文献

第二章 激光等离子相互作用中参量过程的理论基础

2．1 参量过程简介

2．2 全波解方程

2．2．1 电磁波的耦合方程

2．2．2 电子等离子体波(EPW)的耦合方程

2．2．3 离子声波(IAW)的耦合方程

2．2．4 SRS和SBS的耦合方程组

2．3 Nishikawa方程

2．4 模耦合方程

2．5 均匀等离子体中的参量不稳定性

2．5．1 阻尼

2．5．2 色散关系

2．5．3 增长率

2．5．4 阈值

2．6 非均匀等离子体中的参量不稳定性

2．6．1 基本方程

2．6．2 解析推导

2．6．3 直观推导

2．6．4 阈值讨论

2．7 本章小结

参考文献

第三章 参量不稳定性的饱和机制研究

3．1 SBS的饱和机制

3．1．1 多离子成份-IAW的线性Landau阻尼

3．1．2 离子俘获和IAW波破-IAW的非线性频移和非线性Landau阻尼

3．1．3 次级衰变-TID和IAW高次谐波

3．2 SRS的饱和机制

3．2．1 电子俘获和EPW波破-EPW的非线性频移和非线性Landau阻尼

3．2．2 次级衰变-LDI和EDI

3．3 泵波衰竭(pump depletion)

3．4 SRS和SBS的关系

3．5 本章小结

参考文献

第四章 束匀滑条件下的参量不稳定性研究

4．1 空间域匀滑抑制参量不稳定性理论

4．2 空间域匀滑手段

4．2．1 相位板匀滑(RPP，DPP，CPP，KPP)

4．2．2 极化匀滑(PS)

4．2．3 f数对成丝的影响

4．3 时间域匀滑抑制参量不稳定性理论

4．3．1 基本方程

4．3．2 振幅调制

4．3．3 相位调制

4．3．4 本节小结

4．4 时间域匀滑手段

4．4．1 光谱色散匀滑(SSD)

4．4．2 诱导空间非相干匀滑(ISI)

4．4．3 啁啾激光

4．5 三倍频激光束匀滑下的实验和模拟结果

4．5．1 Nova气袋靶实验

4．5．2 Nova充气腔靶实验

4．5．3 Omega充气腔靶实验

4．5．4 NIF充气腔靶实验

4．6 二倍频激光束匀滑下的实验和模拟进展

4．6．1 二倍频激光驱动ICF潜力

4．6．2 Omega气袋靶实验

4．6．3 Omega充气腔靶实验

4．7 本章小结

参考文献

第五章 啁啾激光与等离子体相互作用的PIC模拟

5．1 单色激光与等离子体相互作用

5．1．1 基本物理图像

5．1．2 SRS

5．1．3 SBS

5．2 啁啾激光与等离子体相互作用

5．2．1 单啁啾激光与等离子体相互作用

5．2．2 多啁啾激光与等离子体相互作用

5．3 本章小结

参考文献

第六章 星光Ⅱ啁啾宽频带基频激光与等离子体作用实验

6．1 实验设置

6．2 实验结果分析

6．2．1 激光器性能测试

6．2．2 背反系统测量结果分析

6．2．3 谐波测量结果分析

6．3 结论

参考文献

第七章 总结和展望

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

参加学术活动情况