神光Ⅱ充氣黑腔靶受激拉曼散射測(cè)量

王傳珂，蔣小華，蔣 剛，王哲斌，況龍鈺，劉慎業(yè)，丁永坤

(1.四川大學(xué) 原子與分子物理研究所，四川 成都 610065；2.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

在間接驅(qū)動(dòng)激光慣性約束聚變(ICF)研究中，通常使用金或鈾等高Z材料制作的黑腔靶來約束輻射能量，激光在黑腔靶的內(nèi)壁能量轉(zhuǎn)換為X光，X光輻射在內(nèi)爆靶丸上燒蝕靶丸材料產(chǎn)生燒蝕壓，驅(qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆[1-2]。X光輻射同時(shí)在黑腔靶的內(nèi)壁燒蝕出高Z等離子體。隨著持續(xù)時(shí)間的增加，黑腔內(nèi)等離子體的密度愈加均勻，形成適合等離子體中不穩(wěn)定性對(duì)流的增長(zhǎng)。激光束在到達(dá)靶固體表面轉(zhuǎn)化為X射線前要穿過一個(gè)充氣區(qū)域。大尺度、低密度等離子體在此區(qū)域形成并通過受激拉曼散射(SRS，激光共振地衰變?yōu)殡娮拥入x子體波和散射光波的三波作用過程)和受激布里淵散射(SBS，入射光波共振地衰變?yōu)殡x子聲波和散射光波的三波作用過程)機(jī)制散射激光能量。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)上使用的黑腔靶，一般在黑腔內(nèi)填充低Z氣體，這種靶稱為充氣黑腔靶。充氣黑腔靶可利用氣體的壓力減少X光從腔壁上燒蝕出的高Z等離子體向中心會(huì)聚，減小堵腔效應(yīng)；同時(shí)，低Z氣體對(duì)彈著點(diǎn)發(fā)光面的運(yùn)動(dòng)有較好的抑制作用，使得靶丸表面的輻照均勻性不隨時(shí)間變化[3-4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)三倍頻激光與黑腔靶相互作用的研究[5-7]主要集中在真空狀態(tài)下金黑腔輻射溫度、SRS和SBS光譜的測(cè)量方面，對(duì)于三倍頻激光與充氣黑腔靶相互作用的研究報(bào)道較少。本工作擬在神光Ⅱ釹玻璃激光裝置上，開展三倍頻激光與充氣黑腔靶(填充0.1 MPa氬氣)相互作用的研究，研究充氣情況下背向SRS散射光的能量反射率和散射光譜的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)條件和布局

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在神光Ⅱ釹玻璃激光裝置上進(jìn)行[5-7]。神光Ⅱ是我國(guó)開展ICF研究的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一。目前銣玻璃激光可同時(shí)輸出8路三倍頻激光，總輸出功率約3×1012W。實(shí)驗(yàn)中8路激光分南北2簇從內(nèi)切于靶室的正立方體的8個(gè)頂點(diǎn)通過打靶透鏡獨(dú)立地向心匯聚到靶上，脈寬1 ns，三倍頻，離焦400 μm打靶，每路激光能量約250 J。

實(shí)驗(yàn)用靶采用標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶(也稱真空黑腔靶)和充氣黑腔靶兩種，黑腔靶軸線南北放置在靶室中心。圖1為神光Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶示意圖，兩種黑腔靶均為直徑800 μm、長(zhǎng)度1 350 μm的標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶，黑腔靶壁材料為金，黑腔中放置有一塑料(碳?xì)洳牧?靶丸，內(nèi)充氘氚(或氘氘)燃料氣體。本實(shí)驗(yàn)中，充氣黑腔靶內(nèi)填充0.1 MPa氬氣，激光注入口采用聚酰亞胺膜密封，以確保填充氣體不泄漏。黑腔內(nèi)所充氣體一般應(yīng)滿足3個(gè)條件：

1) 充氣壓力應(yīng)足夠高，能起到約束黑腔靶等離子體運(yùn)動(dòng)的作用；

2) 氣體全部電離后電子密度不能太高，否則激光在到達(dá)彈著點(diǎn)前衰減嚴(yán)重，不利于X光在高Z等離子體中的轉(zhuǎn)換；

3) 填充氣體不能產(chǎn)生強(qiáng)烈的受激散射。

一般黑腔內(nèi)充0.1 MPa氬氣在激光輻照后即使全部電離，電子的密度也在0.1倍等離子體臨界密度以下，激光在光路上的吸收可忽略不計(jì)。

圖1 神光Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)布局

實(shí)驗(yàn)首先在標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶中充0.1 MPa氬氣來實(shí)現(xiàn)大尺度的激光等離子體的非線性相互作用，利用神光Ⅱ釹玻璃裝置的8路三倍頻激光離焦400 μm入射黑腔靶。通過背向散射測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量SRS的能量反射率，利用光譜儀配光學(xué)條紋相機(jī)來測(cè)量SRS散射光的時(shí)間變化。

圖2示出了激光裝置某一路背向散射測(cè)量系統(tǒng)的光路[8]，背向散射測(cè)量系統(tǒng)由系列光學(xué)濾光片和能量卡計(jì)組合而成。打靶激光經(jīng)伺服反射鏡后再通過窗口玻璃和打靶透鏡入射到靶上。激光在等離子體中的背向散射光經(jīng)打靶透鏡、窗口玻璃、伺服反射鏡和反射鏡進(jìn)入束縮系統(tǒng)，而后經(jīng)散射光頻率分離系統(tǒng)進(jìn)入到最終的能量卡計(jì)，從而得到全口徑背向散射能量。全口徑背向散射能量與打靶激光能量之比即為散射光能量份額。在激光等離子體相互作用過程中，散射光的成分主要為400～700 nm的SRS散射光和348～354 nm的SBS散射光。因而，為消除其他散射光信號(hào)干擾，在SRS能量卡計(jì)和SBS能量卡計(jì)前分別設(shè)計(jì)帶寬400～700 nm的干涉濾光片和351 nm窄帶通濾片。由于SRS過程主要以背向散射為主，因此SRS能量卡計(jì)測(cè)量了SRS中的大部分散射光。

圖2 SRS散射光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)排布

時(shí)間分辨的背向SRS散射光譜采用光纖從背向散射測(cè)量系統(tǒng)中引光至光學(xué)多道分析器(OMA譜儀)，再配光學(xué)條紋相機(jī)，光譜信號(hào)用光學(xué)CCD記錄。OMA譜儀由輸入光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、光譜色散元件、光學(xué)成像系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)構(gòu)成。光譜的強(qiáng)度只有相對(duì)的意義，光譜分辨為0.05 nm，時(shí)間分辨為10 ps。實(shí)驗(yàn)前，譜儀光柵衍射效率、條紋相機(jī)MCP增益、光陰極量子效率、CCD量子效率均需嚴(yán)格標(biāo)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 SRS能量反射率

圖3示出了相同激光入射條件(能量8×250 J，離焦400 μm入射)下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的充氣黑腔靶與標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶的背向SRS反射率。由圖3可看出，與標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，充氣黑腔靶的背向SRS散射光的能量反射率增加。SRS的散射光反射率由不到0.5%增加到1%以上。

SRS頻率和波數(shù)匹配條件如下：

ω0=ωSRS+ωEPW

(1)

k0=kSRS+kEPW

(2)

(3)

其中：ω0、ωSRS和ωEPW分別為入射光波、拉曼散射光波和電子等離子體波的角頻率；k0、kSRS和kEPW分別為入射光波、拉曼散射光波和電子等離子體波的波矢；ωPE為等離子體振蕩頻率；λDE為等離子體德拜長(zhǎng)度。三波過程產(chǎn)生散射光波，損失激光能量，減少吸收系數(shù)。SRS的另一個(gè)波是電子等離子體波，凡是有電子等離子體波產(chǎn)生的過程，跟隨波前進(jìn)的電子最終由朗道阻尼或波破將電子等離子體波能量轉(zhuǎn)移給電子，產(chǎn)生超熱電子，其能量約為m(ωEPW/kEPW)2/2，其中m為電子質(zhì)量，由于電子等離子體波的相速度ωEPW/kEPW可很大，所以超熱電子的能量很高。超熱電子能預(yù)熱靶芯、影響對(duì)稱性、降低壓縮度，根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)研究，拉曼超熱電子和拉曼散射光能量近似相等。

圖3 充氣黑腔靶與標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶的背向SRS反射率對(duì)比

SRS散射光的反射率[9-10]主要由于在黑腔靶中充氣后，激光作用黑腔靶時(shí)，在激光作用光路上形成了相對(duì)均勻的等離子體電子密度的分布，降低了非線性過程的對(duì)流阻尼，從而增加了非線性過程的增長(zhǎng)率，增加了非線性散射光的反射率。

2.2 SRS時(shí)間光譜

圖4示出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的SRS光譜時(shí)間分辨圖像，縱坐標(biāo)為時(shí)間方向，從上到下掃描；橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)方向，從右到左為短波到長(zhǎng)波方向。圖中的526 nm銳光來源于入射激光在倍頻過程中產(chǎn)生的二倍頻光，它是激光輻射過程中打在黑腔靶的入射口邊緣或屏蔽片后沿光路反射進(jìn)入譜儀的，因此在時(shí)間上要早于散射光。實(shí)驗(yàn)中一般用它作相對(duì)時(shí)間和絕對(duì)波長(zhǎng)的定標(biāo)[7]。從圖4可看出，在激光作用前期，無SRS散射光出現(xiàn)，之后散射光譜在長(zhǎng)波方向出現(xiàn)，并隨時(shí)間逐漸向短波方向移動(dòng)，直到SRS散射光結(jié)束。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶(a)和充氣黑腔靶(b)的時(shí)間分辨SRS背向散射光譜

對(duì)SRS散射光的時(shí)間光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在激光與標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶作用時(shí)，SRS僅在作用激光的峰值附近約200 ps的時(shí)間內(nèi)被激發(fā)。充氣后，黑腔內(nèi)SRS的激發(fā)時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)黑腔提前，幾乎從入射激光出現(xiàn)時(shí)就被激發(fā)，時(shí)間持續(xù)約800～900 ps，但散射光譜結(jié)構(gòu)和時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)一致，隨著持續(xù)時(shí)間的增加，光譜向短波方向移動(dòng)。這主要由于在標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶情況下，激光與黑腔靶壁作用前期，黑腔內(nèi)等離子體和平面靶作用類似，黑腔內(nèi)等離子體的梯度大，SRS過程的對(duì)流阻尼大，SRS過程被抑制。隨著持續(xù)時(shí)間的增加，黑腔靶對(duì)等離子體的約束明顯，等離子體的密度梯度變小，電子密度也逐漸增加，SRS被激發(fā)，散射光譜隨時(shí)間向短波方向運(yùn)動(dòng)。在充氣黑腔靶情況下，由于填充氣體的存在，在激光作用初期，激光直接與氣體作用形成了較均勻的等離子體，因此SRS幾乎從入射激光出現(xiàn)時(shí)就被激發(fā)。隨后，黑腔壁高Z材料形成的等離子體提高了黑腔內(nèi)的電子密度，致使SRS散射光譜也逐漸向短波方向移動(dòng)。

3 結(jié)論

本工作在神光Ⅱ釹玻璃激光裝置上，開展了三倍頻激光與充氣黑腔靶(填充0.1 MPa氬氣)的相互作用研究，研究了充氣情況下背向SRS散射光的能量反射率和散射光譜的變化情況。由于等離子體尺度的變大，黑腔內(nèi)電子溫度較高，SRS增長(zhǎng)率大，背向的SRS散射光能量增加，SRS的反射率由標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶的0.05%以下增長(zhǎng)到1%～1.5%。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)黑腔靶相比SRS被激發(fā)的時(shí)間也延長(zhǎng)。在黑腔靶充氣氣壓不同的情況下，三倍頻激光與黑腔靶相互作用產(chǎn)生的背向散射能量反射率也不同。研究背向散射能量反射率與充氣氣壓的關(guān)系，是下一步研究工作的方向。

感謝中國(guó)科學(xué)院-中國(guó)工程物理研究院高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室神光Ⅱ裝置運(yùn)行人員、中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心實(shí)驗(yàn)和制靶人員的辛勤工作。

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