SRRS对惯性约束聚变激光驱动器光束影响的理论研究

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ICF(惯性约束聚变)装置末级放大输出的几十甚至上百束强激光,在最终入射靶室前需要在空气中进行长程传输。在此过程中,高功率的脉冲激光会与空气中的分子发生相互作用,一旦达到SRRS(受激转动拉曼散射)阈值,就会产生SRRS效应,导致激光能量流失、激光光束质量变差、偏移无法到达聚变靶等问题。经过传输的激光再作为基频光光束入射到倍频器后,会影响三倍频转换效率,甚至造成倍频晶体的永久性破坏,所以为了提高ICF高功率激光驱动器的输出能力、光束质量和控制能力,最终顺利实现聚变点火,必须抑制SRRS效应。传统的SRRS效应抑制方法中,若将空气全部置换为真空或惰性气体,存在工程造价高,工程维护费高,后续维护不易等问题,且可能出现真空-紫外效应和污染效应等同等危害的新问题,进而对石英晶体和光学元件造成不利影响。与传统ICF驱动器相比,新一代的ICF驱动器的功率更大,光束束数更多,使得解决SRRS问题的形势更为严峻。综合分析,针对空气及其它介质,开展ICF激光驱动器光束长程传输中SRRS效应的量化研究是很有必要的。本文针对ICF激光驱动器光束长程传输中产生的SRRS效应,结合当前ICF实验条件,开展了SRRS效应对ICF激光驱动器光束质量影响的系统理论研究,分析了SRRS效应对高功率激光辐照度的影响和光束均匀度影响的相关规律。  本研究主要内容包括:⑴基于Maxwell-Bloch-Langevin方程组的ICF激光驱动器光束长程传输产生的SRRS的四维数学模型,在验证了该模型有效性的基础上,系统研究了当前ICF实验条件下影响SRRS的主要实验参数改变对ICF激光驱动器光束影响的横向规律。我们先与国内外ICF实验和模拟结果进行对比,包括基于美国的OMEGA装置、NOVA装置和中国的神光III装置的实验校核,又与现在已有文献中提出的泵浦光辐照度、泵浦光光束口径、泵浦光脉冲宽度、拉曼增益系数和传输距离等参数改变后的SRRS对ICF激光驱动器光束影响的纵向规律进行对比校核,结果表明,采用此四维数学计算模型,不仅可以得到与实验和已有文献结果均基本相符的SRRS效应对ICF激光驱动器光束影响的纵向相关规律,还可以得到SRRS效应对ICF激光驱动器光束影响的横向规律,为SRRS效应的研究提供了新的方法和思路。⑵得到了泵浦光空域和时域参数下SRRS效应对ICF激光驱动器光束的影响规律。首先对超高斯光束进行了介绍与分析,然后结合我国ICF实验条件,着重研究了ICF激光驱动器上超高斯激光的SRRS效应对激光光束质量的影响,分析了泵浦光空域和时域分布下SRRS效应对ICF激光驱动器上高功率激光光束的影响规律,得到了不同超高斯阶数的泵浦光SRRS效应后出射光的辐照度分布,以及泵浦光与Stokes光的纵向和横向的辐照度分布结果,对选择ICF激光驱动器工作参数、优化激光输出光束质量提供了支撑。⑶得到了拉曼线宽对ICF激光驱动器光束长程传输产生的SRRS效应的影响规律。首先对拉曼线宽进行了介绍与分析,然后利用建立的SRRS的四维数学模型和计算模拟程序,结合ICF实验条件选取参数,系统分析了不同拉曼线宽对ICF激光驱动器光束长程传输产生的SRRS效应的纵向和横向相关规律,为高功率激光传输介质的选择提供了参考。
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