惯性约束聚变激光驱动器中的SRS及其抑制方法研究

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目前,为实现惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)点火,国内外激光驱动器多采用将几十甚至几百路超大口径(40cm左右)激光束进行编组,以实现高能量激光脉冲对靶丸进行均匀辐照。但是,随着激光强度不断提高,许多新的物理问题在驱动器工程中不断出现,给驱动器的安全运行与输出水平提高带来新挑战。其中,在强激光传输方面最具代表性的就是受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)效应,主要包括:强激光脉冲在长达数十米甚至近百米编组站空气管道内传输时产生的受激转动拉曼散射(StimulatedRotational Raman Scattering, SRRS);大口径激光束在大口径三倍频晶体KDP中进行三次谐波转换时产生的横向受激拉曼散射(Transverse Stimulated RamanScattering, TSRS)。SRRS与TSRS一旦达到产生阈值就会以指数形式急剧放大,这将给激光驱动器造成极大危害,如损耗激光能量、降低光束质量、增大光束远场发散角、损坏KDP晶体等,从而限制了ICF激光驱动器的安全运行与输出水平提高,以致难以实现聚变点火。因此,如何有效抑制SRRS与TSRS已经成为ICF激光驱动器研制领域亟待解决的重要问题之一。本论文根据现役ICF激光驱动器光路结构与激光运行条件,对SRRS与TSRS两种非线性效应进行了系统研究,阐明了相关物理机理与变化规律,并提出了若干SRRS与TSRS抑制方法,旨在为激光驱动器工程中SRRS与TSRS的阈值判断、危害规避以及下一代ICF驱动器设计提供理论支持与技术支撑。同时,针对当前ICF激光驱动器正向着各种宽带技术快速发展的趋势,论文重点对纯相位调制(Pure Phase Modulation, PPM)、光谱色散匀滑(Smoothing bySpectral Dispersion, SSD)与线性啁啾(Linear Chirp, LC)三种主流宽带技术情况下的SRRS与TSRS进行了研究与讨论。首先,基于ICF激光驱动器目前设计需求与向宽带发展的趋势,从SRS耦合波方程组出发,分别建立了适用于窄带(单色或单纵模)与宽带(PPM、SSD与LC)情况下的SRRS与TSRS计算模型,丰富与完善了SRRS与TSRS相关理论。其次,利用上述模型分别研究了窄带与宽带激光脉冲的SRRS与TSRS过程。研究指出:窄带情况下SRRS与TSRS已经严重制约了ICF激光驱动器的运行光强与通量(光强对时间的积分),难以满足ICF点火需求;若增大激光带宽(包括PPM、SSD与LC)SRRS与TSRS增益会减小,这主要是因为对激光进行带宽调制不仅会破坏SRRS与TSRS过程中的相位锁定条件还有可能减小激光近场通量调制度;随相位调制参数与啁啾参数增大,SRRS与TSRS增益虽然在有些情况下并非单调变化但整体呈减小趋势。最后,根据SRRS与TSRS放大过程中的相干、频谱、偏振、相位等特性,分别提出了退相干、二色膜滤波、偏振分光、脉冲堆积等若干SRRS与TSRS抑制方法。给出了上述抑制方法的基本原理,并分析与比较了它们对SRRS与TSRS的抑制效果。结果表明,上述方法对SRRS与(或)TSRS都有较强抑制能力,有些抑制方法能将强激光脉冲在空气与(或)KDP晶体内的阈值强度最大提高到4GW/cm2,超过原来的3倍,满足ICF激光驱动器现阶段设计需求。
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