【摘要】：激光等離子體的參量不穩(wěn)定性是制約激光受控核聚變的瓶頸之一。從上世紀六十年代以來,多種參量不穩(wěn)定機制被提出來,并被廣泛研究。例如受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)、受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)和雙等離子體衰變(Two-plasmon decay,TPD)等。SRS發(fā)生在四分之一臨界密度以下,由于產(chǎn)生了大幅度的散射光使得激光能量的耦合效率降低,同時其激發(fā)的電子等離子體波可以加速大量的電子而預熱靶丸。SBS發(fā)生在臨界密度以下,發(fā)生的區(qū)域相對而言更廣。它不僅能損耗入射激光的能量,還是不同頻率交叉光束之間能量轉換的媒介。TPD主要發(fā)生在四分之一臨界密度附近,它能產(chǎn)生大量的超熱電子。這三種不穩(wěn)定(SRS、SBS和TPD)是激光慣性約束聚變中非常重要的參量機制,廣泛存在于直接驅(qū)動、間接驅(qū)動等激光聚變點火方式中。2011年美國NIF點火的失敗說明我們對于激光等離子體相互作用的認識還有很多不明晰的地方,對參量過程的控制遠遠達不到要求。本論文主要圍繞SRS不穩(wěn)定飽和機制及其抑制方法開展理論和數(shù)值模擬研究,重點開展激光帶寬對不穩(wěn)定性的抑制效應研究。其主要工作體現(xiàn)在如下四個方面:首先,研究了相對論等離子體溫度下強激光激發(fā)的SRS和SBS。我們將描述SRS和SBS不穩(wěn)定的色散關系推廣到既能適用于相對論激光強度也能適用于相對論溫度的情況,并通過采用粒子模擬(Particlein-in-cell,PIC)方法進行了數(shù)值模擬驗證。在相對論溫度等離子體中,由于相對論溫度對等離子體波的調(diào)制,使得激光對應的臨界密度增加,從而不易激發(fā)出不穩(wěn)定模式。我們解析得到了SRS和SBS的最大增長率和對應的不穩(wěn)定波矢,其與數(shù)值求解色散關系得到的不穩(wěn)定相空間分布符合得很好。結果表明相對論溫度能縮小SRS和SBS的不穩(wěn)定區(qū)域,同時降低它們的增長率。當?shù)入x子體溫度升高,不穩(wěn)定波矢減小,背散射光頻率出現(xiàn)紅移。粒子模擬表明,激光與等離子體的長時間作用會加熱等離子體,當?shù)入x子體的溫度達到相對論溫度時,不穩(wěn)定性會被抑制。其次,研究了SRS和SBS之間的耦合作用。我們通過SRS和SBS的耦合方程求得了低頻等離子體密度擾動的閾值,當SBS激發(fā)的離子聲波幅度大于這個閾值時,SRS的不穩(wěn)定模式出現(xiàn)抑制。當?shù)入x子體狀態(tài)處于流體區(qū)域時,SBS可以激發(fā)出很強的離子聲波,其幅度遠遠大于閾值。因此,SBS對SRS的抑制在流體區(qū)域很容易觀察到�？紤]到在SRS發(fā)展過程中會加熱電子,由此產(chǎn)生動理學效應,我們在流體模型中加入了朗繆爾波的阻尼項,當SRS的增長被抑制后,大幅度的等離子體波因為被阻尼而損失能量。對于非均勻等離子體,數(shù)值模擬觀察到更明顯的SBS激發(fā)對SRS的抑制效應。第三,通過PIC模擬研究了調(diào)頻激光的帶寬對SRS的抑制效應。根據(jù)理論推算,聚變條件下,激光帶寬須在10~(-2)量級(～5%)才能對SRS有比較明顯的抑制。我們采用了正弦調(diào)頻的光場模型,PIC模擬表明,激光帶寬越大,對SRS的抑制越強,但調(diào)頻激光的帶寬不能完全抑制SRS。有限帶寬破壞了流體階段的三波匹配條件,從而能抑制SRS的線性增長,但是在非線性階段,波和粒子的作用為主要機制,動理學過程中的帶寬效應需要進一步研究。為了提升帶寬的抑制效應,可以通過選擇適當?shù)恼{(diào)頻參數(shù)、降低等離子體密度或者光強等方法來實現(xiàn)。最后,提出了實現(xiàn)對參量不穩(wěn)定有效抑制的方法。我們建立了一個理論模型來描述不同頻率的光束間的耦合激發(fā)。利用色散關系,我們發(fā)現(xiàn)如果兩束不同頻率的單色激光束的參量不穩(wěn)定區(qū)域在等離子體波的波矢空間沒有交疊時,這兩束光之間就不能通過等離子體波的激發(fā)產(chǎn)生耦合。不穩(wěn)定區(qū)域?qū)挾扰c入射光幅度和等離子體密度相關。當單光束的光強小于參量激發(fā)的閾值時,不穩(wěn)定就被完全抑制。據(jù)此,我們給出了不同頻率的兩光束間的解耦閾值。根據(jù)這一閾值,通過設計合適的非相干合成光的參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對SRS等不穩(wěn)定的有效抑制,我們稱這種光為寬帶解耦激光束,它由很多不同頻率的激光束組成。相比正弦調(diào)頻激光,寬帶解耦激光束由于引入了隨機相位使得對SRS的抑制更加明顯。當光的帶寬大于等離子體波的本征頻率時,會產(chǎn)生前向SRS的種子模式。模擬顯示寬帶解耦激光束能夠有效抑制非均勻等離子體中對流不穩(wěn)定的增長�，F(xiàn)有的光學方法很難將強激光的帶寬增加到5%,我們提出了等離子體調(diào)制器的機制來產(chǎn)生這種激光。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O53;TN24
【圖文】：

1 兩相向光束中電子縱向動量的龐加萊相圖。（a）兩束光的振幅均為 0.1，即有 a1a2光的振幅均為 0.3，即有 a1a2.。（c）一束光的振幅 a1，另一束光的振幅a2.光的振幅a1，另一束光的振幅a2.。y x z y2 x x相位1和2有方程1 x2 x x2 2 x2 x x數(shù)值求解方程（1-11）至（1-14），可以得到縱向動量x關于1mod cons [11, 12]，如圖 1-1 所示。圖 1-1（a）和 1-1（c）的相圖都是由一些閉合或者開放成，這說明它們的解是可積的，而圖 1-1（b）和 1-1（d）的相圖中存在由點構區(qū)域，在這些區(qū)域里電子的運動呈現(xiàn)隨機性，它的速度可以高于激光有質(zhì)動力

圖 1 2 激光強度的發(fā)展 [17 19]。用）可以記為ueeE x exp0將電流密度 J0ue代入方程（1-15），并對時間積分有J2pe0E E 2pe0為等離子體的電導率。利用法拉第定律和安培定律，我們可以波在等離子體中的傳播方程 2E E202 E 2pe20為等離子體的介電常數(shù)。對于均勻振幅的電磁波，我們由（1-1其在等離子體中傳播的色散關系為

圖 1 3 PIC 算法結構 [40]。場方程為麥克斯韋方程組（已歸一化）： E B EtB BtE J(1 2實際情況中，等離子體里的場需要分作橫場和縱場，對于不同偏振的左行波和右行波可以記為：y z和z y，且有t x y，t xz[41]。對于縱場的求解利用（歸一化后）t x x或者x x x。注意到（1-26）中含有電流項，它的求解有多種算法 [42, 43]，有時被作為獨立的一部分來求解。粒子的邊界條件設置是 PIC 模擬里面非常重要的一個環(huán)節(jié)，一般的處理方法有：周期性邊界條件，粒子從某一維度的邊界出來，則從這一維度的另一邊界進入模擬空

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 鄧錫銘;高功率激光與激光核聚變[J];原子能科學技術;1988年01期

2 王淦昌;利用大能量大功率的光激射器產(chǎn)生中子的建議[J];中國激光;1987年11期

本文編號：2765556