柵欄脈沖與等離子體相互作用研究.pdf

1、在間接驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變中，高能激光分別從內(nèi)環(huán)以及外環(huán)注入到黑腔內(nèi)，在腔壁上激發(fā)X射線，使之作用靶丸完成內(nèi)爆。靶丸受到X射線作用，會(huì)向外噴發(fā)等離子體，與入射到腔壁上的激光相互作用，激發(fā)各種參量不穩(wěn)定性（受激拉曼散射，受激布里淵散射，成絲等）。由于與內(nèi)環(huán)、外環(huán)激光作用的等離子體密度不一樣，參量不穩(wěn)定性所造成的內(nèi)外環(huán)散射光強(qiáng)度也不一樣，這不僅降低了光束入射到黑腔面上的能量，還破壞了靶丸的輻射對(duì)稱性;同時(shí)受激拉曼散射除了能將入射光散射，它所激

2、發(fā)的電子等離子體波還會(huì)產(chǎn)生超熱電子，破壞靶丸的等嫡壓縮過(guò)程。因此如何抑制激光等離子體相互作用中參量不穩(wěn)定性，提高束靶耦合效率，一直是人們關(guān)心和研究的重點(diǎn)。
　　為了抑制參量不穩(wěn)定性，各國(guó)科學(xué)家相繼提出了光譜色散勻滑，偏振勻滑，連續(xù)相位板等一系列光束勻滑方法。它們通過(guò)均勻光束的空間能量分布，讓光束焦斑在靶面快速移動(dòng)，有效的避免了亮斑成絲，抑制了參量不穩(wěn)定性。但是由于與內(nèi)環(huán)激光作用的等離子體密度更高，激發(fā)產(chǎn)生的參量不穩(wěn)定性更強(qiáng)，僅采用

3、束勻滑方法是不夠的。基于這點(diǎn)本文提出利用柵欄脈沖來(lái)抑制參量不穩(wěn)定性中的SRS增長(zhǎng)。當(dāng)柵欄脈沖與等離子體相互作用時(shí)，通過(guò)不斷的衰減電子等離子體波強(qiáng)度，降低SRS增長(zhǎng)速度，達(dá)到削弱SRS背反份額的目的。
　　本文主要的研究工作如下:
　　(1)從maxwell方程出發(fā)，推導(dǎo)了激光等離子體相互作用下的受激拉曼散射的3波耦合方程，并通過(guò)電場(chǎng)的慢變振幅關(guān)系，對(duì)受激拉曼散射的3波耦合方程進(jìn)行了化簡(jiǎn)，將方程中的矢勢(shì)關(guān)系全部變換為電場(chǎng)關(guān)系。

4、通過(guò)三波耦合方程編寫(xiě)了SRS過(guò)程的數(shù)值模擬程序，并對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證
　　(2)研究了激光與等離子體相互作用時(shí)的電子等離子體波弛豫效應(yīng)，它的本質(zhì)是激光通過(guò)等離子體后所殘留的電子密度擾動(dòng)。這些密度擾動(dòng)會(huì)增加下一個(gè)激光通過(guò)時(shí)的SRS增長(zhǎng)速度。通過(guò)定義電子等離子體波弛豫時(shí)間量化了弛豫效應(yīng)的強(qiáng)弱，并依此研究了等離子體狀態(tài)，脈沖的時(shí)間寬度，功率密度以及脈沖的波長(zhǎng)對(duì)弛豫效應(yīng)的影響。為柵欄脈沖的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)
　　(3)以SRS背反份額為

5、標(biāo)準(zhǔn)，分析了不同脈沖與等離子體作用的結(jié)果。其中柵欄脈沖在SRS反應(yīng)過(guò)程中，通過(guò)不停的削弱電子等離子體波強(qiáng)度，降低SRS增長(zhǎng)速度，從而有效的削弱SRS的背反份額。然后對(duì)其子脈沖的形狀，子脈沖的時(shí)間寬度，占空比進(jìn)行了分析，當(dāng)柵欄脈沖處于最佳占空比時(shí)，能夠最大程度的削弱SRS。當(dāng)對(duì)柵欄脈沖內(nèi)相鄰兩支子脈沖加入頻率差后，通過(guò)頻率失配，抑制了電子等離子體波的生長(zhǎng)，使得子脈沖與子脈沖之間的相互影響被大大削弱了，進(jìn)一步的降低SRS散射份額。理論模擬顯

6、示，當(dāng)加入頻率差為250GHz(基頻光)時(shí)，柵欄脈沖在等離子體溫度1.5keV到1.6keV范圍內(nèi)（等離子體密度為0.1nc），能讓大部分SRS散射光份額從10％～20％（長(zhǎng)脈沖入射情況）下降到5％以下。當(dāng)加入偏振勻滑后，能進(jìn)一步的提高柵欄脈沖最優(yōu)占空比的值，降低了柵欄脈沖在激光系統(tǒng)中傳輸與放大的難度。
　　(4)分析了柵欄脈沖產(chǎn)生問(wèn)題，可以通過(guò)半導(dǎo)體可飽和收鏡的鎖模光纖激光器所產(chǎn)生，產(chǎn)生的脈沖接近傅里葉變換極限;同時(shí)也提出了一種

7、基于波導(dǎo)陣列光柵產(chǎn)生柵欄脈沖的設(shè)想，理論上可以得到超高斯型的柵欄脈沖。研究了柵欄脈沖在激光系統(tǒng)放大過(guò)程中的增益窄化效應(yīng)與增益飽和效應(yīng)。柵欄脈沖的帶寬不足以引起明顯的增益窄化效應(yīng)，而在放大過(guò)程中通過(guò)設(shè)計(jì)柵欄脈沖的波形，很好的抑制了增益飽和所帶來(lái)的影響。最后討論了柵欄脈沖的非線性傳輸特性，占空比在其中起了決定性的作用
　　(5)在文章的最后我們理論模擬了柵欄脈沖的頻率轉(zhuǎn)換問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化二倍頻晶體的厚度，提升了柵欄脈沖的二倍頻效率，同時(shí)

8、對(duì)晶體失諧角的調(diào)諧使得一倍頻光與二倍頻光達(dá)到最佳三倍頻比例。對(duì)于三倍頻過(guò)程，柵欄脈沖寬帶寬所帶來(lái)的色散走離效應(yīng)會(huì)降低其三倍頻效率，通過(guò)調(diào)節(jié)倍頻后基頻光與二倍頻光的中心時(shí)間差，最大程度的抑制了走離，使柵欄脈沖的理論三倍頻效率達(dá)到88％。
　　本文主要的創(chuàng)新點(diǎn):
　　(1)通過(guò)對(duì)電子等離子體波弛豫效應(yīng)的研究，提出利用柵欄脈沖削弱SRS背反份額。當(dāng)對(duì)柵欄脈沖子脈沖加入頻率差后，能進(jìn)一步削弱SRS效應(yīng)。
　　(2)對(duì)柵欄脈沖在