CN107863160B - 生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生成能够有效抑制激光等离子体参量不稳定的激光的方法，包括将一束光的能量分散到多束子束激光中，并使得该多束子束激光之间不相互耦合，以及使得该多束子束激光的每一束子束激光单独达不到激发参量不稳定的阈值。本发明还提供了一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的装置，包括子束激光产生器和子束激光合成器。通过本发明的方法和装置，能够实现对激光等离子体参量不稳定的充分抑制，同时还提供了一种实现激光惯性约束核聚变的驱动激光设计，能大幅提升激光与靶的耦合效率并减少热电子的产生。

Description

生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法及装置
技术领域
本发明涉及核聚变领域，具体涉及一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法及装置。
背景技术
由于资源和环境的限制，开发一种可以长久利用的能源是人类必须要解决的问题。其中受控核聚变一旦实现，将最终解决人类可持续发展所需要的能源问题。
激光驱动惯性约束聚变是实现受控核聚变的重要途径之一。但受制于激光与聚变靶作用中的各种不稳定，激光与靶的耦合效率不够高，使得激光聚变目前仍然面临巨大困难。其中激光等离子体的参量不稳定性是制约实现惯性约束点火的主要瓶颈之一。从上世纪六十年代以来，多种参量不稳定机制被发现，并被广泛研究。例如受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,简称为SRS)、受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering，简称为SBS)和双等离子体衰变(Two-plasmon decay,简称为TPD)等。这三种不稳定(SRS、SBS和TPD)是激光惯性约束聚变中非常重要的参量不稳定机制，普遍存在于直接驱动、间接驱动等激光聚变点火方式中。美国NIF激光装置没有达到预期的聚变靶点火条件，说明人们对于激光等离子体相互作用的认识还有很多不明晰的地方，对参量不稳定过程的控制还远达不到要求。
激光惯性约束点火主要有两种可行的方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动是将激光直接均匀辐照到球型靶上，烧蚀靶表面的燃料产生热等离子体，激光在等离子体中产生激波从而压缩靶丸达到点火。这一机制中，参量不稳定产生于激光与靶丸表面的等离子体相互作用。间接驱动是激光照射到黑腔的内壁产生X射线，然后X射线辐照到球型靶丸上产生烧蚀、压缩、点火。这一机制中，激光与黑腔中的低密度气体相互作用是产生参量不稳定的主要来源。
无论是哪种驱动方式，抑制参量不稳定都是极为重要的。SRS和TPD能够产生超热电子预热靶丸，使燃料的熵增量高于规定值，从而破坏内爆的压缩过程。SRS和SBS能够散射入射激光，造成激光能量的损失，降低激光与靶之间的能量耦合效率。同时，激光等离子体的相互作用能够影响辐照的均匀性，从而进一步激发流体不稳定。例如，激光在流动的等离子体中会发生偏折，多光束激发的离子声波能产生束间能量交换，激光自聚焦和成丝不稳定能改变激光空间分布的均匀性。
由此可见，寻找一种能够完全抑制参量不稳定的方案对于实现激光受控核聚变非常关键。以往的工作提出了一定的激光带宽可以降低不稳定的线性增长率，但没有给出完全抑制参量不稳定的方案以及定量的阈值条件，因此在应用中存在很多缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法及装置，以解决上述现有技术中存在的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法，包括将一束光的能量分散到多束子束激光中，并使得该多束子束激光之间不相互耦合，以及使得所述多束子束激光的每一束子束激光单独达不到激发参量不稳定的阈值。
较佳地，所述方法包括选择多束子束激光之间的频率差，从而使得所述多束子束激光之间不相互耦合。
较佳地，通过以下方法计算所述多束子束激光之间的频率差：假定子束激光功率为Pbeamlet，相邻子束激光间的频率差是δω，需要最终合成的激光达到的峰值功率为Pbeam，则需要的子束激光数量N＝Pbeam/Pbeamlet。
较佳地，所述方法包括以下步骤：
步骤一：利用光源产生器生成N束频率不同的子束激光；
步骤二：通过合成器进行合成，从而产生解耦的大带宽光束；其中
每束子束激光的幅度ai近似相等，
合成后的光束强度在1014W/cm2量级，以及
合成后的大带宽光束总带宽(N-1)δω在10％ω0量级，产生的解耦光束，在频域上是梳状谱，每两个谱峰之间的频谱宽度近似相等且都满足解耦条件。
较佳地，所述大带宽光束的总带宽为5％至25％的中心频率。
较佳地，每束子束激光的波长位于0.3微米至1.1微米之间，以及每束子束激光的强度在1012W/cm2至1013W/cm2之间。
较佳地，所述解耦的大带宽光束包含几十至几百束不同频率的子束激光。
较佳地，所述解耦的大带宽光束是由很多子光束合成的、且各子光束之间具有一定频率差、使得总的频谱带宽达到中心子光束频率的10％。
较佳地，所述能够有效抑制激光等离子体参量不稳定的激光用于在受控核聚变中的激光惯性约束点火。
根据本发明的另一方面，提供了一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的装置，所述装置包括子束激光产生器和子束激光合成器，所述子束激光产生器产生N束频率不同的子束激光，所述子束激光合成器对所述N束频率不同的子束激光进行合成，从而产生解耦的大带宽光束，其中
每束子束激光的幅度ai近似相等，合成后的光束强度在1014W/cm2量级，以及合成后的大带宽光束总带宽在10％ω0量级，以及产生的解耦光束在频域上是梳状谱，每两个谱峰之间的频谱宽度近似相等且都满足解耦条件。
根据本发明的方法，对于给定的等离子体密度分布和入射激光功率以及强度要求，通过设计子光束间的频率差、子光束的数量、以及合成光的总的频谱带宽，能够实现对激光等离子体参量不稳定的充分抑制。该方法提供了一种实现激光惯性约束核聚变的驱动激光设计，能大幅提升激光与靶的耦合效率并减少热电子的产生。
附图说明
图1为本发明的生成能够有效抑制参量不稳定的激光的装置结构示意图。
图2a-2d示出理论模型的分析，其中，图2a理论模型给出的两不同频率激光产生的SRS不稳定在相空间的分布范例，图2b为图2a对应的粒子模拟结果，
图2c为理论给出的激光在等离子体中产生的SRS不稳定区域宽度与入射激光幅度的关系，图2d为理论给出的SRS不稳定区域宽度与等离子体密度的关系。
图3a-3d为粒子模拟方法给出的结果分析，其中，图3a不同带宽的入射光产生的SRS背散光的时间包络比较，图3b对应的电子能谱的比较，图3c和图3d为比较同样合成激光强度下，由不同子束激光束数量对SRS不稳定激发的影响。
图4示出非均匀等离子体中，不同带宽的入射光产生的静电场能量随时间演化的对比图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
针对上述现有技术的不足，本发明提出一种能够有效抑制激光等离子体参量不稳定的新型宽带激光。本发明的核心原理是将一束光的能量分散到多束子束激光中(子束数量大约几十束至几百束之间)，通过设计光束间的频率差，使得子束激光之间不相互耦合。由此每一束子束激光由于强度太低，达不到激发参量不稳定的阈值而无法激发不稳定。这为实现激光受控核聚变提供了一种全新的、有潜力的技术解决方案。我们将这种由非耦合子束激光组合形成的激光束称为宽带解耦激光束。
本发明的基本原理如下：
如果两束不同频率的单色激光束的参量不稳定在等离子体波的波矢空间区域没有交叠时，这两束光之间就不能通过等离子体波的激发产生耦合。当单光束的光强小于参量激发的阈值时，不稳定就被完全抑制。在这种条件下，即使两束激光同时存在时，不稳定也不能被激发。本发明正是基于这种原理来设计的。
本发明的技术解决方案如下：
由于SRS、SBS和TPD的产生都是以相位匹配条件为基础的，因此它们的机制是相通的，这里我们以SRS不稳定为例进行讨论。一束单频光(k0,ω0)，在等离子体中激发的不稳定区域宽度(用ΔkL表示)与归一化激光场振幅a0成正比，与等离子体密度呈正相关。假设等离子体密度ne远远小于入射光的中心频率对应的临界密度nc，相应的电子等离子体波的频率ωpe远小于入射激光的中心频率ω0，则两束激光解耦须满足的频率差为δω/ω0>a0(2ωpe/ω0)1/2≈2.83Γ0/ω0，其中Γ0为单束激光对应的SRS线性增长率。对于激光聚变应用方面的需求，一般要求单束激光的能量达到kJ甚至10kJ以上，对应的激光功率为1至10TW。如果单束激光采用的是通常的单一频率激光或者带宽比较窄的激光，则无法避免SRS等参量不稳定的激发。但如果这束激光由很多路具有不同频率的子束激光组成，并且子束激光之间频率差满足上述条件，则等离子体中的SRS等参量不稳定就可以得到有效抑制。这就是前面所述宽带解耦激光。假定满足上述条件对应的子束激光功率为Pbeamlet，相应需要满足的相邻子束激光间的频率差是δω，需要最终合成的激光达到的峰值功率为Pbeam，则需要的子束激光数量N＝Pbeam/Pbeamlet，合成激光的带宽达到Δω＝(N-1)δω。采用这种由N束具有一定频率差的子束激光合成的高能激光束，将可以有效抑制参量不稳定的发生。
本发明的技术效果：
本发明以美国国家点火装置(National Ignition Facility，简称NIF)的参数作为参考，计算结果表明，采用上述宽带解耦激光束，当它在等离子体中传输时在10ps内没有明显的SRS等参量不稳定激发产生，电子温度与初始温度相比几乎没有改变，入射光的能量损失与的激光相比降低了300多倍。如果进一步考虑等离子体密度梯度、粒子碰撞阻尼等效应造成的参量不稳定阈值，采用宽带解耦激光束可以使得SRS被完全抑制。
图1是本发明的生成能够有效抑制参量不稳定的激光的装置结构示意图。如图1所示，该装置包括子束激光产生器1和子束激光合成器3，子束激光产生器1产生N束频率分别为ω1、ω2、ω3……ωN的子束激光2，该子束激光合成器3对所述N束频率不同的子束激光2进行合成，从而产生解耦的大带宽光束4，其中每束子束激光的幅度ai近似相等，合成后的光束强度在1014W/cm2量级，以及合成后的大带宽光束总带宽在10％ω0量级，以及产生的解耦光束在频域上是梳状谱，每两个谱峰之间的频谱宽度近似相等且都满足解耦条件。
图2给出了不同频率的两束光间耦合激发SRS的物理图像，以及对应的机理分析。
图2a是数值求解色散关系得到的两束不同频率的子束激光激发的SRS不稳定在波矢空间的分布。两束光的幅度相等即a1＝a2＝0.02，等离子体的密度为ne＝0.08nc，其中光的幅度ai与强度Ii之间的关系为ai＝{Ii(W/cm2)[λi(μm)]2/1.37×1018}1/2通过改变两者之间的频率差来研究其中的不同。当它们的频率差足够小时(在本算例中设为δω＝0.15％ω0)，两束光相互耦合共同激发SRS。从色散关系图像上看，两者的不稳定区域重叠在一起，形成了一个连续、独立的不稳定区域，这说明两者通过等离子体波发生了强耦合。当频率差增加到一定值(在本算例中设为δω＝1％ω0)后，两束光产生的不稳定区间开始分离，相互独立，并且峰值强度(最大增长率)也降低了。这说明增加两光的频率差，能够使得在激发SRS的过程中实现解耦。每束光最终独立地激发不稳定，并且不稳定增长率被大大地减小了。
图2b是对应的粒子(PIC)模拟结果。可以发现模拟与理论之间符合得非常好。当两光的频率差小于某一的阈值(足够小)后，两束光耦合在一起激发SRS；当两光的频率差大于某一的阈值(足够大)后，两束光相互独立地激发SRS。
以上结果与传统的带宽理论是不一样的。之前的理论工作认识到带宽能够降低参量不稳定的增长率，但没能给出具体的阈值条件，也没有说明是否可以实现对不稳定的完全抑制，其实际应用价值是比较局限的。而图2a和图2b给了我们新的启示：如果光束间满足解耦条件，则可以通过增加光束数来降低每束子束激光的强度，当子束激光的光强都低于参量不稳定的激发阈值，就能实现对参量不稳定的完全抑制。因此解耦条件是非常关键的。
通过对图2a和图2b的研究我们发现，光束间的耦合激发是因为每束光都存在一定的不稳定区域宽度，当多束光的不稳定区域发生重叠后，就会出现相互耦合的情况。因此求出单一模式(k0,ω0)的激光在等离子体中产生的不稳定区域宽度就能得到解耦的阈值条件。通过理论推导，我们得到了SRS不稳定区域宽度的表达式，由此获得SRS不稳定区域宽度与两个主要参数(入射光幅度和等离子体密度)的关系。图2c和2d分别为理论给出的SRS不稳定区域宽度与单一束激光振幅以及等离子体密度的依赖关系。从图中可以看出ΔkL与激光幅值ai是严格的正比关系，与等离子体密度ne之间是正相关的。利用ΔkL的表达式，我们可以得到低密度情况下(ne<<nc)光束的解耦条件为δω/ω0>a0(2ωpe/ω0)1/2≈2.83Γ0/ω0，其中Γ0为SRS的增长率。这一条件是定量的，可以为我们设计最优的抑制效果提供参考。由阈值条件可知，通过增加带宽或者降低不稳定增长率能够提升对参量不稳定的抑制。
基于以上理论，我们将其扩展到多光束的情形(在本算例中为子束激光数为N＝100)。考虑到激光惯性约束聚变的实际情况，我们以NIF的参数作为参考进行粒子数值模拟研究。NIF的峰值光强为8×1014W/cm2，光波长λ＝0.35μm，对应的激光幅值为a0～0.0085。我们取ai＝0.001，Δω0＝(N-1)δω＝12％ω0，光束数为N＝100。均匀等离子体的密度为ne＝0.08nc。模拟结果如图3所示。在此参数下，光束间的频率差阈值为δω>0.08％ω0或Δω0>8％ω0。满足解耦条件后，背散光的增长明显地被抑制了，如图3a所示。当Δω0>9％ω0后，增长率的变化不再明显。当带宽取Δω0＝12％ω0时，在t＝6000τ时刻，散射光幅值Ez＝0.0016，远小于采用通常激光的情况。因此，电子加热在t＝6000τ时，几乎被完全抑制了。对于Δω0＝12％ω0情况的模拟也算到了t＝10000τ，这期间并没有发现SRS的非线性饱和。相反，如果采用通常的激光束，其产生的散射光很快就达到了很高的饱和幅度。这个过程产生了温度大约为Te＝16.6keV的热电子(对应的朗缪尔波的相速度为vph＝0.18c)。这些结果说明，满足解耦条件的大宽带合成光束解决了ICF中激光等离子体相互作用的两个主要问题：激光能量损失和热电子产生。
固定入射激光的总能量和总带宽，子束激光之间解耦阈值需要除以(N-1)1/2，这说明光束数N能够降低阈值条件，使得抑制效果更加明显。图3c和3d是不同光束数N对应的朗缪尔波在(kL，ωL)相空间的分布。由于入射光的频率区间为[0.94,1.06]ω0，取ωpe＝0.283ω0，则对应的波矢变化范围为[1.49,1.74]ω0/c。当取N＝100时，梳状频谱的强度要远低于N＝25的情形。后者没有满足阈值条件，因此光束间相互耦合激发SRS，这也导致了热电子的产生，如图3b所示。
以上的分析基于均匀等离子体情形。下面我们研究这种光在非均匀等离子体中的效应。假设等离子体密度轮廓为ne(x)＝n0(1+x/Ln)，在间接驱动ICF中有Ln～mm，子束激光的耦合会由于它们的共振区域宽度Δx＝4Γ/[K'(v1v2)1/2]的降低而减弱。其中K'∝ωpe/Ln，v1和v2分别为散射光和朗缪尔波的群速度。当Ln趋于无穷大，物理图像转换到均匀等离子体的情形。因此当ai或Ln降低时，对流SRS更容易被抑制。上面给出的解耦条件为非均匀等离子体情形提供了上限阈值。我们研究了n0＝0.07nc，Ln＝3000λ0的一维PIC模拟。等离子体密度在[0.07,0.09]nc区域内变化，电子的初始温度为Te0＝100eV。为了与均匀等离子体情况进行对比，我们取ai＝0.001，N＝100。
我们诊断朗缪尔波的能量ε＝∫EL 2dx，因为它能直接反应SRS的强度。据图4可知，Ln＝3000λ0与NIF的条件接近。对于Δω0＝12％ω0的光，ε很缓慢地线性增长。相反的，Δω0＝5％ω0的光激发的ε在t＝3000τ时呈指数增长，大量的热电子在t＝7000τ时产生。这些结果与均匀等离子体类似。如果Ln降低到1000λ0(也即提高等离子体的密度梯度)，子束光束之间的耦合被很强地抑制了，共振区域变得很窄，从而使得SRS被完全抑制。
以上介绍了宽带解耦激光束对SRS不稳定的抑制，对于其他的参量不稳定(例如SBS、TPD等)其应用原理是一样的。当子束激光的参量不稳定区域没有叠合时，将其强度降到不稳定激发阈值以下，就能实现对参量不稳定的有效抑制。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (11)

1.一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法，其特征在于，将一束光的能量分散到多束子束激光中，并使得该多束子束激光之间不相互耦合，以及使得所述多束子束激光的每一束子束激光单独达不到激发参量不稳定的阈值，所述方法包括选择多束子束激光之间的频率差，从而使得所述多束子束激光之间不相互耦合，通过以下方法计算所述多束子束激光的数量N：假定子束激光功率为Pbeamlet，相邻子束激光间的频率差是δω，需要最终合成的激光达到的峰值功率为Pbeam，则需要的子束激光数量N＝Pbeam/Pbeamlet。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能够有效抑制激光等离子体参量不稳定的激光用于在受控核聚变中的激光惯性约束点火。
3.一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的方法，其特征在于，将一束光的能量分散到多束子束激光中，并使得该多束子束激光之间不相互耦合，以及使得所述多束子束激光的每一束子束激光单独达不到激发参量不稳定的阈值，所述方法包括以下步骤：
步骤一：利用光源产生器生成N束频率不同的子束激光；
步骤二：通过合成器进行合成，从而产生解耦的大带宽光束；其中
合成后的光束强度在1014W/cm2量级，以及
合成后的大带宽光束总带宽(N-1)δω在10％ω0量级，产生的解耦光束，在频域上是梳状谱，每两个谱峰之间的频谱宽度近似相等且都满足解耦条件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每束子束激光的幅度ai近似相等。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述大带宽光束的总带宽为5％至25％的中心频率。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每束子束激光的波长位于0.3微米至1.1微米之间，以及每束子束激光的强度在1012W/cm2至1013W/cm2之间。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述解耦的大带宽光束包含几十至几百束不同频率的子束激光。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述解耦的大带宽光束是由很多子光束合成的、且各子光束之间具有一定频率差、使得总的频谱带宽达到中心子光束频率的10％。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述能够有效抑制激光等离子体参量不稳定的激光用于在受控核聚变中的激光惯性约束点火。
10.一种生成能够有效抑制参量不稳定的激光的装置，其特征在于，所述装置包括子束激光产生器和子束激光合成器，所述子束激光产生器产生N束频率不同的子束激光，所述子束激光合成器对所述N束频率不同的子束激光进行合成，从而产生解耦的大带宽光束，其中
合成后的光束强度在1014W/cm2量级，以及合成后的大带宽光束总带宽在10％ω0量级，以及产生的解耦光束在频域上是梳状谱，每两个谱峰之间的频谱宽度近似相等且都满足解耦条件。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，每束子束激光的幅度ai近似相等。
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