CN111509559B

CN111509559B - 展宽高功率强激光频谱的方法

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Publication number: CN111509559B
Application number: CN202010254129.0A
Authority: CN
Inventors: 赵耀; 康宁; 刘会亚; 朱健强
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: CN111509559A

Abstract

一种展宽高功率强激光频谱的方法。本发明的具体实施涉及高功率强激光光源以及其产生的光在稀薄等离子体中的传输特性：用于激光自调制的等离子体密度在0.001倍至0.02倍临界密度之间；入射的泵浦光峰值强度在近相对论强度附近。本发明针对所需光强、带宽大小来设计泵浦光峰值强度、等离子体密度、靶的位置，将泵浦光在最佳强度附近入射气体中进行高效率的频率调制。该方法，带宽最大能展宽至100％中心频率以上，可应用于激光惯性约束核聚变的驱动光设计中，是能有效抑制激光等离子体参量不稳定的方案，可以提升激光与靶的耦合效率并减少超热电子的产生。

Description

展宽高功率强激光频谱的方法

技术领域

本发明涉及光学领域、激光等离子体相互作用领域、惯性约束核聚变领域，特别是一种展宽高功率强激光频谱的方法。

背景技术

由于普通光学器件的损伤阈值较低，因此很难直接应用于强激光的频谱展宽。现有的技术方法只能将光强小于1×10¹⁵W/cm²的高功率激光的频谱展宽至1％-2％中心频率ω₀的大小，这局限了宽带光的应用。

等离子体是一种已经离化的物质状态，因此没有损伤阈值的限制。正是由于这一独特的性质，使得等离子体光学在近年来得到了迅猛发展。利用等离子体直接调制泵浦强激光，将其频谱展宽可达100％ω₀以上，是非常有前景的技术。宽频强激光可用于光梳、新型辐射源、激光等离子体电子加速、高能量密度物理以及惯性约束核聚变等多个领域，其中最为可观的是用作惯性约束核聚变中的驱动光源。

惯性约束核聚变有两种主要的方案：直接驱动和间接驱动。其中直接驱动是用激光直接辐照靶丸，通过烧蚀靶面的燃料产生快速膨胀的等离子体，从而压缩靶丸实现点火。在这一过程中，激光主要与靶丸冕区的等离子体进行相互作用。间接驱动是利用激光与黑腔壁作用产生的X射线来烧蚀靶丸。这一方案的激光等离子体作用较为复杂，其中的主要过程是激光与黑腔中的低密度气体相互作用。由此可见，激光等离子体相互作用在激光核聚变中是不可避免的。

高功率激光与等离子体的相互作用会激发多种参量不稳定，例如受激拉曼散射(SRS)，受激布里渊散射(SBS)以及双等离子体衰变(TPD)。这些不稳定机制会损失大部分的激光能量，产生大量的高能电子预热靶丸，从而破坏靶丸的压缩对称性。因此，激光等离子体参量不稳定被认为是阻碍惯性约束聚变点火的关键因素之一。

为了抑制参量不稳定的发展，已有多种方案被提出，例如外加强磁场，利用不连续的激光脉冲链作为驱动源，以及展宽驱动光的频谱。其中抑制效果最佳，物理机制最清晰，构型最具可行性的是使用宽带驱动光。现阶段由于激光调控的技术问题，大多数方案仍只停留在理论层面，其中高功率宽带光的产生是关键的技术瓶颈。

由此可见，发明一种能够有效展宽高功率激光频谱的方法对于实现激光受控核聚变非常关键。现有的技术只能将激光带宽提升至2％ω₀以下，这还远远达不到完全抑制参量不稳定的带宽大小，因此在实际应用中存在很多缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种展宽高功率强激光频谱的方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种展宽高功率强激光频谱的方法，该方法是基于高功率强激光在毫米级气体等离子体中的自调制作用，包括能产生峰值光强10¹⁶W/cm²至10¹⁹W/cm²的高功率激光器及密度均匀的气体靶，该方法可在神光II升级等多个装置上进行，包括以下步骤：

1)所述的高功率激光器输出高功率强激光的泵浦光的脉宽在100fs至10ps之间，利用透镜对所述的泵浦光进行聚焦，使所述的泵浦光(1)达到最佳强度范围，所述的泵浦光(1)的焦斑的峰值光强满足I₀(W/cm²)>5×10¹⁶/[λ₀(μm)]²，其中λ₀为泵浦光的波长；

2)利用气体喷嘴产生密度在10¹⁸cm^-3与10²⁰cm^-3之间的均匀的气体用于激光的调制称为调制靶或气体靶(2)，所述的气体的非均匀密度标长在毫米量级，所述的气体在泵浦光入射后形成等离子体，其密度在入射光的0.001倍至0.02倍临界密度之间；

3)将气体靶放置在所述的泵浦光的最佳光强位置；

4)从气体靶输出的调制光，该调制光的频谱最大带宽高于100％的中心频率，能量转换率在90％以上。

所述的泵浦光的最佳强度范围，调制峰值强度在近相对论强度附近，譬如波长为1微米的激光，最佳调制强度为1.37×10¹⁶W/cm²至1.97×10¹⁸W/cm²，波长为0.5微米的激光，最佳调制强度为5.48×10¹⁶W/cm²至7.89×10¹⁸W/cm²，波长为0.33微米的激光，最佳调制强度为1.26×10¹⁷W/cm²至1.81×10¹⁹W/cm²。

本发明的基本原理如下：

本发明的核心原理是近相对论光强的脉冲在低密度等离子体中可以激发准线性电子等离子体波，使得前向拉曼散射(FRS)成为这一区域的主要不稳定模式。FRS通过斯托克斯和反斯托克斯机制在中心频率两侧产生两束频率对称的前向散射光，然后每一散射光通过FRS级联过程再产生两束不同频率的散射光。这样通过多波混频过程，泵浦光的频谱被调制成梳状，从而被极大地展宽。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：

由于前向SRS激发的电子等离子体波的相速度接近于光在等离子体中传播的群速度，远大于后向SRS(BRS)激发的电子等离子体波的相速度。因此，BRS相较于FRS更易被朗道阻尼。在电子等离子体波的准线性域，大量的电子在几十个光周期内被加速到10²keV量级，远大于BRS激发的电子等离子体波的相速度。所以，FRS是电子等离子体波准线性域的主要不稳定模式，而BRS被强阻尼了。正是由于这一特性，强激光能在等离子体波的准线性域进行高效的调制。

现推导最佳的调制光强。如果大量的电子在密度为n_e～0.01n_c的等离子体中被尾场加速到几百个keV量级，其中n_c为泵浦光的临界密度，那么电子的能量增益满足Δγ≈0.65a₀ ²/γ_g>1/4，其中γ_g＝(1-v_g ²/c²)^1/2，v_g为光在等离子体中的群速度。由此可得激发准线性等离子体波的最低激光阈值为a₀>0.2。激光幅度与强度的关系为a₀＝{I₀(W/cm²)[λ₀(μm)]²/1.37×10¹⁸}^1/2，λ₀为光波长。同时，激光强度也具有一定的上限，以防等离子体波破。因此，电子的能量增益需满足Δγ<γ_g＝10，即激光幅度a₀<1.2。综上所述，最佳的调制光幅度为0.2<a₀<1.2。根据最佳调制光幅度得到最佳调制光强时需考虑具体的光波长，譬如波长为1微米的激光，最佳调制强度为1.37×10¹⁶W/cm²至1.97×10¹⁸W/cm²；波长为0.5微米的激光，最佳调制强度为5.48×10¹⁶W/cm²至7.89×10¹⁸W/cm²；波长为0.33微米的激光，最佳调制强度为1.26×10¹⁷W/cm²至1.81×10¹⁹W/cm²。

调制高功率强激光需要低密度的等离子体。因为等离子体波破阈值与等离子体的密度成正比，为了防止FRS被强阻尼，需要等离子体的密度一般应低于0.02n_c。同时，由于FRS的增长率也与等离子体密度成正比，因此为了缩短FRS的激发时间，需要等离子体密度大于0.001n_c。

现给出等离子体其他参数的估计。考虑幅度为a₀＝0.3的泵浦光和低密度等离子体n_e＝0.005n_c之间的相互作用，FRS激发的特征时间为t_FRS＝2055τ，其中τ为光周期。因此，等离子体尺度需要在毫米量级。由于非均匀等离子体中三波波矢的匹配条件被破坏，因此等离子体总的密度标长需要满足L>ct_FRS≈2000λ。由于粒子的碰撞率与等离子体温度和密度有关，当等离子体密度较低，温度较高时，粒子的碰撞率较低，因此碰撞阻尼造成的激光能量损失较小。由于FRS激发的等离子体波的相速度接近光速，所以等离子体的初始温度对激光自调制的影响较小。

上面给出了强激光在低密度等离子体中进行自调制的最佳参数条件，需要根据实际应用来设计光路。例如，在激光聚变应用方面，驱动光强最高一般在10¹⁶W/cm²量级。因此，需要将泵浦光聚焦到气体中，使得峰值功率达到最佳光强～10¹⁷W/cm²。然后当激光展宽频谱后，光强会随着散焦逐渐降低。所以，需要根据调制后的光强分布来确定放置靶丸的位置。

本发明的技术效果：

通过自调制产生的宽带光梳状频谱间隔为等离子体波的频率。激光频谱的展宽大小及能量转换率与激光的调制时间相关，最大的频谱宽度可达100％以上，对应的能量转换率高于90％。调制的泵浦光峰值幅度范围为0.2<a₀<1.2，最长激光脉宽可达10ps。

本发明为直接调制高功率强激光提供了全新的、有潜力的技术解决方案，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的高功率强激光频谱展宽等离子体调制器的装置结构示意图。

图2(a)-2(f)示出a₀＝0.35，n_e＝0.005n_c的一维模拟结果。(a)静电波在t＝2100τ时刻的波矢分布。电磁波在(b)t＝2100τ时刻和(c)t＝3000τ时刻的波矢分布。(d)在x＝3600λ处诊断的自调制光包络。(e)调制光前半部分(上图)和后半部分(下图)的频谱。(f)调制光的总频谱。

图3(a)-3(b)示出不同等离子体密度下，带宽大小、能量转换率与调制长度之间的关系。等离子体密度分别为(a)n_e＝0.006n_c和(b)n_e＝0.01n_c。泵浦光幅度a₀＝0.35。

图4(a)-4(c)示出不同泵浦光强度下，带宽大小、能量转换率与调制长度之间的关系。激光幅度分别为(a)a₀＝0.2，(b)a₀＝0.5和(c)a₀＝1。图4(d)为a₀＝1.5的调制光频谱。等离子体密度为n_e＝0.005n_c。

图5(a)-5(d)为二维模拟结果。图5(a)调制光在t＝600τ时刻的二维空间分布。(b)调制光在y＝15λ处的纵向空间分布。调制光在(c)t＝600τ和(d)t＝1400τ时刻的二维波矢分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例进一步阐述本发明。

图1为本发明高功率强激光频谱展宽等离子体调制器的装置结构示意图。如图1所示，该装置包括高频率强激光源产生的泵浦光1和密度较为均匀的气体靶2。本发明展宽高功率强激光频谱的方法，所述方法是基于高功率强激光在毫米级气体等离子体中的自调制作用，包括能产生峰值光强10¹⁶W/cm²至10¹⁹W/cm²的高功率激光器及密度均匀的气体靶，该方法可在神光II升级等多个装置上进行，包括以下步骤：

1)所述的高功率激光器输出高功率强激光的泵浦光1的脉宽在100fs至10ps之间，利用透镜对所述的泵浦光1进行聚焦，使所述的泵浦光1达到最佳强度范围，所述的泵浦光1的焦斑的峰值光强满足I₀(W/cm²)>5×10¹⁶/[λ₀(μm)]²，其中λ₀为泵浦光1的波长；

2)利用气体喷嘴产生密度在10¹⁸cm^-3与10²⁰cm^-3之间的均匀的气体用于激光的调制称为调制靶或气体靶2，所述的气体的非均匀密度标长在毫米量级，所述的气体在泵浦光入射后形成等离子体，其密度在入射光的0.001倍至0.02倍临界密度之间；

3)将气体靶2放置在所述的泵浦光1的最佳光强位置；

4)从气体靶2输出的调制光3，该调制光3的频谱最大带宽高于100％的中心频率，能量转换率在90％以上。

所述的泵浦光1的最佳强度范围，调制峰值强度在近相对论强度附近，譬如波长为1微米的激光，最佳调制强度为1.37×10¹⁶W/cm²至1.97×10¹⁸W/cm²，波长为0.5微米的激光，最佳调制强度为5.48×10¹⁶W/cm²至7.89×10¹⁸W/cm²，波长为0.33微米的激光，最佳调制强度为1.26×10¹⁷W/cm²至1.81×10¹⁹W/cm²。

将泵浦光聚焦到气体靶中，使得其峰值功率达到最佳光强范围，通过自调制传出等离子体后为调制光3。由此，泵浦光的单频频谱被展宽为宽带的梳状谱。具体的光路需要根据实际情况进行设计，只需要使得调制等离子体处于泵浦光的最佳光强位置。

图2给出了6.6ps的泵浦光a₀＝0.35在等离子体n_e＝0.005n_c中的调制算例。

图2(a)为t＝2100τ时，纵向静电场的波矢分布。可以看到很强的前向SRS模式已经产生，相比之下，BRS和受激布里渊散射(SBS)都非常弱。这说明在准线性电子等离子体波区域，FRS是主要的不稳定模式，因此，自调制的能量转换率较高。图2(b)为同一时刻的调制光频谱，可以看到斯托克斯和反斯托克斯两种模式的光谱对称分布在中心频率两侧，这说明FRS被充分激发了。每一束散射光通过FRS级联散射会产生各自的斯托克斯和反斯托克斯模式，从而展宽频谱。由图2(c)可以看出，到了t＝3000τ时，泵浦光的频谱已经明显地展宽了。图2(d)是在x＝3600λ处诊断的调制光时域分布，可以看到明显的包络调制。将图2(d)的前半部分和后半部分分别进行傅里叶变换，可以看到两部分的频谱都明显地展宽了，如图2(e)所示。这说明泵浦光被充分调制了。图2(f)是整个脉冲的频谱，我们计及强度大于1％中心频率强度的谱峰，得到总的带宽为123.2％ω₀，能量转换效率达到93.58％。

以上结果说明低密度等离子体能够将6.6ps近相对光强的光进行频谱展宽，调制产生的最大带宽可达123.2％ω₀，能量转换效率有93.58％。

图3展示了等离子体密度对激光自调制效应的影响。图3(a)的等离子体密度为n_e＝0.006n_c，图3(b)的等离子体密度为n_e＝0.01n_c。泵浦光的幅度均为a₀＝0.35。由图3(a)可以看出，带宽随着调制时间的增加呈线性增长趋势，最终饱和在173％ω₀。能量转换效率则随调制时间的增加呈线性降低。如图3(b)所示，当密度提升到n_e＝0.01n_c时，可以发现带宽的饱和幅值略微有些增大，但调制时间缩短了近一倍。这说明等离子体密度的增加提升了FRS的增长率，缩短了脉冲的自调制时间，但对带宽的饱和幅值影响不大。

图4展示了光强对激光自调制效应的影响。图4(a)的泵浦光幅度为a₀＝0.2，图4(b)的泵浦光幅度为a₀＝0.5，图4(c)的泵浦光幅度为a₀＝1，图4(d)的泵浦光幅度为a₀＝1.5。由图4(a)可以看出，泵浦光的带宽虽然可以展宽至112％ω₀，但是激光的能量损失达到26％。这说明泵浦光的幅度需大于0.2，以激发准线性等离子体波，从而抑制BRS的强度。当泵浦光幅度提升至0.5，能量转换率可以达到90％以上，如图4(b)所示。从图4(c)可知当光强增加至a₀＝1时，能量转换率在95％以上，同时调制时间也缩短了。这是由于泵浦光幅度的增强，提升了FRS的增长率，缩短了脉冲的调制时间。但是当激光幅度增加至a₀＝1.5时，驱动光强度达到了波破阈值，自调制效应明显减弱，如图4(d)所示。

图5给出的是二维模拟结果。激光的焦平面在x＝50λ处，峰值强度为a₀＝0.8。图5(a)为t＝600τ时的调制光空间分布，可以看出脉冲包络在横向和纵向上均有涨落。图5(b)为y＝15λ处的光场分布，可以明显看出脉冲包络的调制。由于激光的焦平面在x＝50λ处，因此当激光前沿传至x＝600λ时，脉冲散焦使得其最大幅度低于0.6。图5(c)为t＝600τ时调制光的波矢分布图，可以看出此刻泵浦光已经有了明显的调制。到t＝1400τ时，调制光的频谱被展宽至123％ω₀，如图5(d)所示。这进一步佐证了高强度激光在低密度等离子体中通过自调制展宽频谱的可能性。

Claims

1.一种展宽高功率强激光频谱的方法，其特征在于该方法是基于高功率强激光在毫米级气体等离子体中的自调制作用，近相对论光强的脉冲在低密度等离子体中可以激发准线性电子等离子体波，该方法包括以下步骤：

1)峰值光强10¹⁶W/cm²至10¹⁹W/cm²的高功率激光器输出高功率强激光的泵浦光(1)的脉宽在100fs至10ps之间，利用透镜对所述的泵浦光(1)进行聚焦，使所述的泵浦光(1)达到最佳强度范围，所述的泵浦光(1)的焦斑的峰值光强满足I₀，单位W/cm²，I₀>5×10¹⁶/λ₀ ²，其中λ₀为泵浦光(1)的波长，单位μm；

2)利用气体喷嘴产生密度在10¹⁸cm^-3与10²⁰cm^-3之间的均匀的气体用于激光的调制，所述的气体的非均匀密度标长在毫米量级，所述的气体在泵浦光入射后形成等离子体，其密度在入射光的0.001倍至0.02倍临界密度之间；

3)将气体靶(2)放置在所述的泵浦光(1)的最佳强度位置；

4)从气体靶(2)输出调制光(3)，该调制光(3)的频谱最大带宽高于100％的中心频率，能量转换率在90％以上。