有限脉宽的种子激光在短距离内的多光束拉曼放大研究

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超短超强激光在基础物理和应用研究中有着众多的应用。目前实验室获得的相对论激光主要是通过啁啾脉冲放大(CPA)技术,但该技术在提升激光光强时受到材料光栅损伤阈值的限制。在等离子体介质中,通过受激拉曼后向放大(BRA)放大激光脉冲被认为是一种在不击穿放大介质的情况下获得更高强度的方法。本论文重点研究BRA和在BRA的基础上提出的增长率更高的模式——多光束受激拉曼放大(Multibeam Raman amplification,MRA)。MRA是利用多束几何对称的泵浦激光,共用散射光的集体模型来实现激光放大。研究BRA和MRA的演化过程及伴随的线性、非线性效应,以及这两种模型在激光放大(光强的提高)上的优劣是本论文的主要出发点:1、通过三波耦合方程数值模拟和粒子模拟(particle-in-cell,PIC)研究了BRA中的基本现象。推导了种子脉冲的时空演化,得到了种子脉冲演化过程中分为初始种子脉冲和由共振相互作用激发的泵浦脉冲这两项。双光束放大和BRA的实际增长率随种子脉宽的变化在数值模拟中都有一个脉宽的饱和点,这是由于真实振幅的增长率是种子脉宽的函数,γ=γ(τ)。两种模拟模型的研究对本文探讨BRA和MRA的过程非常有帮助。2、研究了两束激光(N=2)的MRA以及其与BRA的对比。在理论上MRA增长速率是BRA的近N倍,但是在二维PIC的模拟中,种子脉宽未饱和时双光束的放大倍数是单光束的近2倍。除此之外,种子脉冲的实际振幅增长率依赖于初始种子振幅、种子脉宽的选择和等离子体被加热而增加的朗道阻尼。我们阐明了种子脉冲的实际振幅增长率,测量方法,初始种子振幅和朗道阻尼,在种子脉冲线性放大阶段中的关系。放大效率与种子脉宽联系用经验准则γ0τ0=1定义了一个临界值。3、研究了激光束N>2时的MRA。我们增加泵浦激光束到四束(N=4),发现其增长率遵循公式γ0~2=NγBRA~2〈cos~2φ〉,且放大效果更优于双光束放大,突显了MRA的重要性。当注入等离子体的总能量较大时,自发的不稳定性被激发从而抑制种子脉冲放大。从二维PIC的模拟中我们发现,拉曼前向散射(Raman forward scatter,RFS)与等离子体长度、泵浦光强和数目都会影响种子脉冲的最终放大效果,这对我们进一步探讨MRA和调整最优放大参数区间提供了指导。
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