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强激光与粒子束 2021年第1期33卷 108-124页

作者：余诗瀚李晓锋翁苏明赵耀马行行陈民盛政明上海交通大学物理与天文学院激光等离子体实验室上海200240 上海交通大学IFSA协同创新中心上海200240 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性(LPI)是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压... 详细信息

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性(LPI)是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期,在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先,回顾了描述LPI过程的三波耦合理论,由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程,譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后,着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案,包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。

关键词：激光等离子体不稳定性惯性约束聚变受激拉曼散射受激布里渊散射宽带激光

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间接驱动惯性约束聚变中的激光等离子体不稳定性

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中国科学：物理学、力学、天文学 2018年第6期48卷 21-36页

作者：杨冬李志超李三伟郝亮李欣郭亮邹士阳蒋小华彭晓世徐涛理玉龙郑春阳蔡洪波刘占军郑坚龚韬王哲斌黎航况龙钰李琦王峰刘慎业杨家敏江少恩张保汉丁永坤中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900 中国科学技术大学近代物理系合肥230026 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

间接驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)中,激光能量除了通过逆轫致机制被吸收和传输,还会激发各种参量不稳定性(受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)、双等离子体衰变(Two-Plasmon Decay,TPD)等),大幅降低激光-靶丸耦合效率并破坏辐射场对称性.因此,激光等离子体不稳定性是实现聚变点火的最大风险之一,研究、理解和抑制以SBS和SRS为主的激光等离子体不稳定性一直在激光聚变研究中占有重要地位.本文从激光(L)、等离子体(P)和不稳定性机制(Ⅰ)这三个方面介绍了激光间接驱动ICF框架下理解和抑制激光等离子体不稳定性(Laser Plasma Instability,LPI)的研究进展和机遇.

关键词：激光聚变神光激光等离子体不稳定性散射光

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用于抑制ICF装置激光等离子体不稳定性的光场快速调控技术

用于抑制ICF装置激光等离子体不稳定性的光场快速调控技术

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作者：熊皓四川大学

学位级别：硕士

在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)激光装置中,激光等离子体不稳定性(Laser Plasma Instabilities,LPIs)不仅会导致激光能量转换效率下降,还会造成超热电子产生及靶丸的非对称压缩,从而影响点火进程。其中,成丝不稳定性... 详细信息

在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)激光装置中,激光等离子体不稳定性(Laser Plasma Instabilities,LPIs)不仅会导致激光能量转换效率下降,还会造成超热电子产生及靶丸的非对称压缩,从而影响点火进程。其中,成丝不稳定性、受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等不稳定过程与靶面光场密切相关,且其特征时间均在皮秒或亚皮秒时间量级。因此,需要在ICF装置中采用靶面光场快速调控技术,以使靶面光场以皮秒量级周期快速变化,从而在改善靶面辐照均匀性的同时抑制LPI的增长。目前,国际上主流的光谱角色散匀滑技术实现了靶面光场在色散方向的变化,但受限于电光调制频率,光谱角色散匀滑技术引起的靶面光场变化周期为数十皮秒,远大于成丝、SRS和SBS等LPI过程的特征时间。因此,传统靶面光场调控手段对于LPI的抑制效果有限,亟需发展更加快速的靶面光场调控技术。本文针对ICF装置抑制LPI的需求,着眼于实现靶面光场以皮秒量级的时间周期快速变化,发展了基于子光束拍频的靶面光场快速调控技术和新型宽带二倍频束匀滑技术两种新型靶面光场调控手段,并分析比较了两种靶面光场调控技术的靶面辐照特性。论文的主要内容包括:1、介绍了基于子光束拍频的靶面光场快速调控技术和新型宽带二倍频束匀滑技术这两种方案,并建立了靶面光场快速调控模型和宽带二倍频束匀滑模型;2、发展了基于子光束拍频的靶面光场快速调控技术,包括采用共轭位相板阵列和采用异步光谱角色散的靶面光场快速调控技术。在此基础上,详细讨论了系统关键参数对靶面辐照特性的影响,进而明确了决定焦斑内部散斑的运动方向、扫动范围以及匀滑时间的主要因素。结果表明,偏振方向相同、中心波长略有差异、位相分布不同的子光束对在靶面通过干涉实现了拍频,使得靶面光场在皮秒时间尺度快速变化,因而能在极短时间内改善靶面辐照均匀性。当采用共轭位相板阵列时,共轭位相板类型决定了焦斑内部散斑的运动方向,位相板PV值决定了散斑扫动范围,而子光束中心波长和子光束对波长差决定了焦斑匀滑时间。当采用异步光谱角色散位相时,电光调制信号延时决定了焦斑内部散斑的扫动范围,子光束对波长差以及电光调制频率共同决定了焦斑匀滑时间。由于焦斑内部存在子光束对拍频和光谱角色散两种形式的散斑扫动,采用异步光谱角色散位相的靶面光场快速调控技术的靶面光场变化更为随机无序,使得靶面辐照均匀性得到进一步改善,更有利于LPI的抑制。3、发展了新型宽带二倍频束匀滑技术,分析了新型宽带二倍频束匀滑技术的近场衍射特性、远场聚焦特性和靶腔内激光辐照特性,详细讨论了影响新型宽带二倍频束匀滑方案性能的主要因素,并对该方案的关键参数进行了优化。结果表明,新型宽带二倍频束匀滑技术可实现靶面光场皮秒量级的快速随机变化,从而在大时间尺度上大幅度改善靶面辐照均匀性。通过调控透镜阵列透射子光束偏振方向,束匀滑单元引入的总延时大为减小。此外,适当增大靶面离焦距离和降低光束空间相干性,可有效抑制子光束硬边衍射引起的强度调制。特别是,适当增大主透镜焦距能有效抑制主透镜参数和腔参数不匹配造成的腔壁光斑包络形变,从而改善宽带二倍频束匀滑激光在腔壁上的辐照均匀性。本论文的研究工作和取得的主要成果为抑制惯性约束聚变装置中激光等离子体不稳定的增长提供了重要参考。

关键词：惯性约束聚变激光等离子体不稳定性靶面光场快速调控动态干涉诱导空间非相干

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大角度斜入射条件下的激光等离子体不稳定性

大角度斜入射条件下的激光等离子体不稳定性

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中国物理学会2018年秋季学术会议

作者：闫锐练昌旺季雨胡广月郑坚郝亮 S.H.Cao A.V.Maximov C.Ren 中国科学技术大学合肥 230026 应用物理与计算数学研究所北京 100094 University of Rochester RochesterNew York 14627

激光等离子体不稳定性(LPI)是阻碍惯性约束聚变点火的关键因素之一.LPI 的影响主要表现在两方面：降低激光的能量利用率、产生热电子并带来燃料预热风险.当激光的入射方向与等离子体的密度梯度方向之间的夹角很大时,激光在等离子体中传... 详细信息

激光等离子体不稳定性(LPI)是阻碍惯性约束聚变点火的关键因素之一.LPI 的影响主要表现在两方面：降低激光的能量利用率、产生热电子并带来燃料预热风险.当激光的入射方向与等离子体的密度梯度方向之间的夹角很大时,激光在等离子体中传播的反射密度会远远低于临界密度,甚至可能与四分之一临界密度面附近区域发生重合.而该密度区域正是激光等离子体不稳定性尤其是受激拉曼散射(SRS)和双等离子衰变(TPD)发生的区域.我们的研究发现,在大角度激光入射的条件下,LPI 的阈值会显著降低.我们发展的线性 TPD 理论与流体数值模拟(使用 FLAME-MD)结果符合较好.FLAME-MD模拟和PIC模拟(使用OSIRIS)都表明：在激光的远场入射角度较大的情况下,TPD会显著增长.OSIRIS模拟中产生了显著份额的热电子.产生的热电子能量份额在远场入射角 60 度附近达到最大值.大角度激光入射条件可能出现在多种ICF构型中,对于ICF压缩是一个潜在的风险因素.

关键词：激光等离子体不稳定性斜入射受激拉曼散射双等离子衰变

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惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

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强激光与粒子束 2020年第9期32卷 93-103页

作者：蔡洪波张文帅杜报燕鑫鑫单连强郝亮李志超张锋龚韬杨冬邹士阳朱少平贺贤土北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京大学应用物理与技术中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生院北京100094

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应... 详细信息

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作:(1)聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;(2)激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;(3)等离子体中电磁场结构的质子照相反演。

关键词：惯性约束聚变动理学效应电磁场时空演化内爆对称性激光等离子体不稳定性质子照相反演

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宽带激光辐照平面厚靶的侧向散射

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物理学报 2024年第22期73卷 198-204页

作者：龙欣宇熊俊安红海谢志勇王佩佩方智恒王伟孙今人王琛中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800

激光等离子体不稳定性(laser plasma instability,LPI)是惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)点火过程中的关键问题之一,多年来受到了广泛的关注.其中,宽带激光被认为是解决LPI问题的一个有效途径,并且目前已经有了大量的模... 详细信息

激光等离子体不稳定性(laser plasma instability,LPI)是惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)点火过程中的关键问题之一,多年来受到了广泛的关注.其中,宽带激光被认为是解决LPI问题的一个有效途径,并且目前已经有了大量的模拟研究和少量背向、近前向散射的实验研究,但是仍然需要侧向散射的实验研究作为补充.因此,基于输出达数百焦耳的宽带二倍频激光装置“昆吾”,本文针对宽带激光与传统窄带激光驱动平面厚靶产生的等离子体不稳定性的侧向散射以及超热电子产额设计实验.实验结果表明,功率密度为1×1015 W·cm-2的宽带激光激发的侧向受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)与侧向受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)在不同角度下的光谱和份额与窄带激光存在显著差异.进一步分析发现,宽带条件下侧向的超热电子份额整体高于窄带,而此时宽带条件下小角度近前向、小角度近背向的SRS份额却远低于窄带,初步的定性分析认为此时SRS可能不是超热电子的主要产生机制,认为此时可能是PDI对超热电子的产生起了主导作用.

关键词：激光等离子体不稳定性宽带激光超热电子

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间接驱动相关条件下的大空间尺度对流受激拉曼侧向散射

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物理学报 2024年第10期73卷 256-269页

作者：曾嘉乐练昌旺季雨闫锐中国科学技术大学近代力学系合肥230026 上海交通大学IFSA协同创新中心上海200240

利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM,对神光Ⅲ原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究.模拟结果表明,在该参数条件下,真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程.入射光的焦斑大小... 详细信息

利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM,对神光Ⅲ原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究.模拟结果表明,在该参数条件下,真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程.入射光的焦斑大小是影响对流受激拉曼侧向散射的关键因素:在光强保持不变的条件下,真空腔和充气腔中受激拉曼侧向散射的对流增益会随焦斑增大而增大,而在功率保持不变的条件下,会随焦斑增大而减小.因此改变焦斑尺寸是调控受激拉曼侧向散射对流增益的有效途径.

关键词：激光等离子体不稳定性受激拉曼侧向散射对流模光线追踪

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基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术

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光学学报 2023年第5期43卷 166-173页

作者：吴世江熊皓张寅瑞钟哲强张彬四川大学电子信息学院四川成都610065

针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性的需求,提出了一种基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术。激光集束采用宽带激光,利用连续相位板对焦斑包络进行控制,并结合共轭螺旋相位板使得集束中各子束在焦平面处拍频产生旋转周期不同、位置各异... 详细信息

针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性的需求,提出了一种基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术。激光集束采用宽带激光,利用连续相位板对焦斑包络进行控制,并结合共轭螺旋相位板使得集束中各子束在焦平面处拍频产生旋转周期不同、位置各异的快速运动散斑。合理选择宽带光参数可使得散斑的旋转周期在皮秒至亚皮秒量级,从而达到瞬时匀滑焦斑的目的。通过建立基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术物理模型,模拟分析了关键参数包括激光带宽和谱线类型对焦斑束匀滑特性的影响和规律,并与双频单色激光拍频技术作了比较分析。研究结果表明,通过合理选取光源谱线类型或增大激光带宽,所提技术可在降低系统要求的基础上增强对激光等离子体不稳定性的抑制,使焦斑实现瞬时匀滑并获得较好的均匀性。

关键词：激光光学惯性约束聚变束匀滑宽带激光激光等离子体不稳定性

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基于双频光源和涡旋相位的互补旋转集束匀滑方案

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强激光与粒子束 2020年第1期32卷 67-74页

作者：钟哲强张彬四川大学电子信息学院光电系

提出了一种基于双频光源和涡旋相位板实现光束快速互补旋转的集束匀滑方案。双频光源为集束中各子束提供频移,拓扑荷数相同但反号的涡旋相位板阵列用于将各个子束变换成拉盖尔—高斯(LG)光束,而通过偏振控制则可实现子束间两两的相干叠... 详细信息

提出了一种基于双频光源和涡旋相位板实现光束快速互补旋转的集束匀滑方案。双频光源为集束中各子束提供频移,拓扑荷数相同但反号的涡旋相位板阵列用于将各个子束变换成拉盖尔—高斯(LG)光束,而通过偏振控制则可实现子束间两两的相干叠加。在此基础上,通过采用共轭连续相位板可使波长不同、偏振态不同的子束组合在靶面形成快速旋转且空间上互补填充的焦斑。结果表明,利用这一方案可实现子束散斑在靶面上快速旋转且散斑分布保持互补,进而有效改善靶面辐照均匀性,甚至为抑制激光等离子体不稳定性提供了一种潜在途径。

关键词：惯性约束聚变集束匀滑涡旋相位辐照均匀性激光等离子体不稳定性

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激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

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强激光与粒子束 2020年第9期32卷 52-65页

作者：李志超赵航龚韬李欣杨冬蒋小华郑坚刘永刚刘耀远陈朝鑫李三伟李琦潘凯强郭亮理玉龙徐涛彭晓世吴畅书张桦森郝亮蓝可陈耀桦郑春阳古培俊王峰蔡洪波郑无敌邹士阳杨家敏江少恩张保汉朱少平丁永坤中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国科学技术大学工程与应用物理系合肥230026

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使... 详细信息

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。

关键词：激光惯性约束聚变光学汤姆逊散射等离子体状态参数激光等离子体不稳定性

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