皮秒激光驅(qū)動(dòng)下的背向受激布里淵散射的光譜結(jié)構(gòu)*

王琛 安紅海 熊俊 方智恒? 季雨 練昌旺 謝志勇 郭爾夫 賀芝宇 曹兆棟 王偉 閆銳 裴文兵

1) (中國(guó)工程物理研究院上海激光等離子體研究所,上海 201800)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230026)

激光等離子體相互作用(LPI)是激光等離子體相關(guān)研究中的重要內(nèi)容,皮秒激光的出現(xiàn)為在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)更加細(xì)致地研究LPI 過(guò)程提供了可能.LPI 相關(guān)的時(shí)間尺度通常是皮秒量級(jí)的,這一研究有望從更精細(xì)的角度來(lái)獲得認(rèn)識(shí).依托神光-Ⅱ升級(jí)及皮秒激光裝置,開(kāi)展了皮秒激光驅(qū)動(dòng)LPI 的實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)給出了背向受激布里淵散射(SBS)的積分光譜,其中除了真正的背向SBS 成分,還包含大量的皮秒激光和納秒激光引入的干擾信號(hào).納秒激光引入的干擾信號(hào)可以消除,但皮秒激光引入的干擾信號(hào)無(wú)法從實(shí)驗(yàn)角度消除,這勢(shì)必會(huì)影響到對(duì)背向SBS 真正份額的估計(jì).結(jié)果顯示,在不同的實(shí)驗(yàn)條件下,背向SBS 散射能量在總的記錄信號(hào)中,占比可能還不到一半.這一結(jié)果有助于對(duì)先前相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步理解和再認(rèn)識(shí).

1 引言

激光等離子體相互作用(LPI)是激光等離子體相關(guān)研究中的重要內(nèi)容,是關(guān)系到慣性約束聚變(ICF)點(diǎn)火成敗的關(guān)鍵問(wèn)題之一,需要仔細(xì)研究[1?3].在間接驅(qū)動(dòng)中,驅(qū)動(dòng)激光需要在腔內(nèi)等離子體中傳播數(shù)毫米到厘米量級(jí)的距離才能到達(dá)腔壁,期間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的LPI,包括受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等過(guò)程.這些過(guò)程會(huì)浪費(fèi)驅(qū)動(dòng)能量、擾亂腔內(nèi)等離子體分布、預(yù)熱靶丸等,直接影響內(nèi)爆效果.而在直接驅(qū)動(dòng)中,另一種過(guò)程—雙等離子體衰變(TPD)成為不可忽視的角色,LPI 仍然是重要的問(wèn)題[4?6].

為了抑制LPI 的增長(zhǎng),包括美國(guó)里弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在內(nèi)的全世界多家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)十年的研究,開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作[7?14].盡管如此,國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的背向散射仍舊遠(yuǎn)超預(yù)估數(shù)值.表明目前對(duì)LPI 的認(rèn)識(shí)仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,仍需要進(jìn)一步開(kāi)展細(xì)致的研究.多年來(lái)的研究主要集中在納秒激光驅(qū)動(dòng)的條件,然而SBS,SRS 等LPI 過(guò)程的發(fā)生、發(fā)展的時(shí)間尺度均為皮秒量級(jí),在納秒較長(zhǎng)的尺度下,研究的是綜合效果.對(duì)于高度非線(xiàn)性的LPI 過(guò)程,綜合效果可能難以反映真實(shí)的物理規(guī)律.

近些年,隨著啁啾脈沖放大(CPA)等技術(shù)的發(fā)展,皮秒或飛秒超短脈沖激光裝置建立起來(lái)[15,16],這為更細(xì)致地研究LPI 過(guò)程提供了可能.在皮秒時(shí)間尺度內(nèi),相關(guān)LPI 過(guò)程經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展、飽和等過(guò)程,皮秒激光的時(shí)間與之相匹配,可望獲得更微觀和細(xì)致的結(jié)果,對(duì)于進(jìn)一步理解相關(guān)LPI的發(fā)展過(guò)程具有更好的條件[17].Rousseaux 等[18,19]多年來(lái)一直持續(xù)地開(kāi)展皮秒激光驅(qū)動(dòng)LPI 的研究,他們首先利用數(shù)百皮秒的長(zhǎng)脈沖激光輻照百納米的CH 薄膜靶產(chǎn)生大尺度等離子體,其后,1—2 ps左右的激光注入,誘發(fā)LPI,在背向、前向等測(cè)量SBS,SRS 等散射信號(hào).實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),SBS 和SRS的發(fā)生閾值明顯升高,并且強(qiáng)度隨著功率密度的提高而增加,到1017W·cm–2以后逐漸進(jìn)入飽和.其后,為更準(zhǔn)確和細(xì)致地研究LPI 相關(guān)過(guò)程,他們專(zhuān)門(mén)發(fā)展了基于皮秒激光探針的湯姆遜散射技術(shù),通過(guò)直接測(cè)量等離子體中的波來(lái)研究SBS 和SRS 的發(fā)展規(guī)律[20].利用該方法,還研究了側(cè)向散射、多光束LPI 相互影響現(xiàn)象等,獲得了一系列重要的進(jìn)展[21,22].但整體來(lái)說(shuō),此類(lèi)研究還太少.

基于神光-Ⅱ升級(jí)及皮秒激光裝置,建立了皮秒激光驅(qū)動(dòng)LPI 的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái),并開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究.針對(duì)背向SBS,進(jìn)行了仔細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)在測(cè)量到的背向信號(hào)中,除了真正的背向SBS信號(hào),還存在明顯的來(lái)自于驅(qū)動(dòng)激光的干擾信號(hào).對(duì)這些不同來(lái)源成分的甄別對(duì)于細(xì)致了解SBS 等過(guò)程非常重要.

2 皮秒激光驅(qū)動(dòng)背向SBS 實(shí)驗(yàn)

皮秒激光驅(qū)動(dòng)LPI 的實(shí)驗(yàn)基于神光-Ⅱ升級(jí)與皮秒激光裝置開(kāi)展,基本方案如圖1 所示.首先利用神光-Ⅱ升級(jí)裝置的一路納秒激光驅(qū)動(dòng)平面薄膜靶產(chǎn)生等離子體,在數(shù)納秒的時(shí)間尺度內(nèi),等離子體膨脹形成數(shù)毫米的大尺度等離子體;在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻,神光-Ⅱ裝置的皮秒激光束注入,與大尺度等離子體相互作用,誘發(fā)SBS 和SRS 等LPI 過(guò)程.本文主要關(guān)心背向SBS 散射,采用漫反射板的方法進(jìn)行診斷.

圖1 皮秒激光驅(qū)動(dòng)的背向SBS 測(cè)量方案示意圖Fig.1.Schematic diagram of backward SBS measurement scheme driven by a picosecond laser.

利用漫反射板來(lái)測(cè)量散射信號(hào)是一種常規(guī)的方法,已經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證,在NIF 等裝置上已經(jīng)成為常規(guī)的診斷技術(shù)[23].漫反射板是一種表面經(jīng)過(guò)特殊處理的平板,光束照射在漫反射板上,發(fā)生漫反射,漫反射的波譜不變,強(qiáng)度則按照特定的規(guī)律分布,因此通過(guò)在特定的方向上記錄漫反射的信號(hào),經(jīng)過(guò)標(biāo)定和后期處理,就可以得到入射光束的波譜、能量等信息.

在實(shí)驗(yàn)中,漫反射板放置在皮秒激光的壓縮室后面.皮秒激光在靶位大尺度等離子體處誘發(fā)的背向SBS 散射沿著皮秒激光的光路反向傳播,依次經(jīng)過(guò)離軸拋物面鏡反射、壓縮室中最后一塊伺服反射鏡透射、壓縮室后窗口透射后,照射到漫反射板上.在漫反射板之前,設(shè)置有光纖頭對(duì)著漫反射板被照射的區(qū)域,背向SBS 信號(hào)被光纖頭收集后,連接到光譜儀,進(jìn)行光譜信息的記錄.

實(shí)驗(yàn)中采用三明治結(jié)構(gòu)的平面靶,如圖2(a)所示,三層分別為Al,C8H8和Al,厚度分別為100,2000 和100 nm.納秒激光選用神光-Ⅱ升級(jí)裝置的第5 路單束激光,波長(zhǎng)351 nm(三倍頻),脈寬約1.2 ns,每束能量約600—800 J,以連續(xù)相位板(CPP)勻滑的方式聚焦在平面靶上,焦斑約Φ600 μm,靶面功率密度約1014W·cm–2.皮秒激光利用神光-Ⅱ升級(jí)裝置的第9 路皮秒激光束,波長(zhǎng)約1053 nm,脈寬約8 ps,能量30—50 J,以離焦方式注入平面靶位置,離焦后的焦斑約Φ200 μm,靶面功率密度約 5×1015—8×1015W·cm–2.激光入射結(jié)構(gòu)及焦斑示意圖如圖2(b)和圖2(c)所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)用靶 (a)三明治結(jié)構(gòu);(b)光路示意圖;(c)焦斑示意圖Fig.2.Schematic diagram of experimental targets:(a) Sandwich structure;(b) target and driving laser;(c) focal spots of lasers.

3 典型的背向SBS 光譜

SBS 是一種三波耦合的過(guò)程,是入射光子在等離子體中離子聲波上近乎彈性的散射,因此散射光的波長(zhǎng)與入射光基本相當(dāng).在本實(shí)驗(yàn)中,入射光是基頻,即波長(zhǎng)1053 nm,因此SBS 散射信號(hào)的波長(zhǎng)也在1053 nm 附近.實(shí)驗(yàn)中采用PI 公司的高分辨光柵譜儀SCT320 進(jìn)行測(cè)量,選用1200 線(xiàn)對(duì)光柵,記錄采用PI 公司的PIXIS:400 BR 型號(hào)的CCD,對(duì)應(yīng)的光譜測(cè)量范圍為 (1030—1075)nm.在光柵譜儀完好調(diào)整,并且狹縫寬度在10 μm 的條件下,在1053 nm 附近,測(cè)量的譜分辨可達(dá)每像素0.033 nm.但在具體實(shí)驗(yàn)中,為了獲得更強(qiáng)和更穩(wěn)定的信號(hào),光柵譜儀的狹縫故意開(kāi)大到約1 mm(相當(dāng)于全開(kāi)).這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的光譜分辨率變差,相應(yīng)的譜峰會(huì)加寬,光譜儀波長(zhǎng)位置的定標(biāo)也會(huì)相應(yīng)變差.

圖3 是實(shí)驗(yàn)中獲得的典型背向SBS 光譜,對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)條件是第5 路納秒激光波長(zhǎng)351 nm,脈寬約1.2 ns,能量約670 J,第9 路皮秒激光波長(zhǎng)1053 nm,脈寬約8.2 ps,能量約30.3 J,皮秒激光落后納秒激光后延1.5 ns.可以看出,有效信號(hào)主要集中在 (1048—1058)nm 之間,其他區(qū)域無(wú)明顯的信號(hào)痕跡.這個(gè)光譜形狀比較奇怪,與傳統(tǒng)的背向SBS 光譜不同,也與文獻(xiàn)中的不同[11],其中可能包含了不同的成分或來(lái)源.經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和多次迭代,對(duì)光譜的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了分解和溯源.通常激光的光譜形狀接近高斯型,因此以高斯函數(shù)進(jìn)行擬合.標(biāo)準(zhǔn)的高斯函數(shù)為

其中a為信號(hào)峰強(qiáng)度,b為本底水平,x0為中心峰值的位置,σ為標(biāo)準(zhǔn)差.對(duì)應(yīng)到擬合的光譜中,a為光譜峰值強(qiáng)度,b對(duì)應(yīng)本底噪聲,x0是中心波長(zhǎng),峰值的半高全寬τ與標(biāo)準(zhǔn)差σ直接相關(guān):τ2.355σ.

圖4(a)是針對(duì)圖3 光譜進(jìn)行分解和擬合的結(jié)果,可以看出,整個(gè)光譜可以被分為三部分,分別采用高斯函數(shù)擬合,可以得到三個(gè)不同寬度和峰值的高斯函數(shù),如圖4(a)所示,分別記作P1(綠色方塊標(biāo)記)、P2(藍(lán)色正三角標(biāo)記)和P3(紅色實(shí)心圓標(biāo)記).圖4(b)給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)(黑色空心圓標(biāo)記)與三部分之和(P1+P2+P3)的曲線(xiàn),可以看出,兩者符合得非常好,僅在中間交界的區(qū)域略有差異,如圖中藍(lán)色虛線(xiàn)圈所示.這表明,這一分解和擬合基本上是合理、可信的.

圖3 皮秒激光誘發(fā)的背向SBS 光譜Fig.3.Integrated spectroscopy of backward SBS induced by a picosecond laser.

圖4 背 向SBS 光譜的 成分分 解 (a)分解為 三部分;(b)三部分之和與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.4.Component decomposition of backward SBS spectrum:(a) Decomposed into three parts;(b) sum of the three parts and the experimental data.

4 對(duì)光譜中三部分的來(lái)源分析

表1 列出了針對(duì)光譜中三部分的高斯擬合的參數(shù),可以看出,顯著的差異在于中心波長(zhǎng)x0和半高全寬τ.

表1 圖4 中各部分高斯擬合曲線(xiàn)參數(shù)Table 1.Gaussian fitting curve parameters of each part in Fig.4.

對(duì)于P1,中心波長(zhǎng)1053.4 nm,光譜半高全寬約0.39 nm.結(jié)合實(shí)驗(yàn)的條件,我們認(rèn)為這是由用于產(chǎn)生大尺度等離子體的神光-Ⅱ升級(jí)裝置的納秒激光引起的.神光-Ⅱ升級(jí)裝置的納秒激光中心波長(zhǎng)約1053 nm,帶寬約0.3 nm.考慮到一般情況下驅(qū)動(dòng)激光的實(shí)際運(yùn)行波長(zhǎng)可能與1053 nm 有一定的偏差,同時(shí)光柵譜儀狹縫全開(kāi)導(dǎo)致的譜分辨率變差和波長(zhǎng)校準(zhǔn)的偏差,在一定的誤差范圍內(nèi),兩者還是比較接近的.用于產(chǎn)生等離子體的納秒激光采用的是三倍頻激光,但由于采用了楔形透鏡的終端系統(tǒng),仍有大量剩余的基頻和二倍頻激光進(jìn)入靶室內(nèi)部.這些無(wú)用的基頻和二倍頻激光在靶附近與三倍頻激光略微偏離,不會(huì)影響正常的實(shí)驗(yàn).但這些光有可能照射到靶室內(nèi)壁、底板、元件支架等處,產(chǎn)生一定的噪聲背景,如果恰好有一部分進(jìn)入到了背向散射的測(cè)量光路,就可能被記錄下來(lái).

對(duì)于P2,中心波長(zhǎng)1053.3 nm,光譜半高全寬約4.4 nm.這是一個(gè)帶寬較寬的峰,與實(shí)驗(yàn)中用于相互作用的第9 路皮秒激光的參數(shù)是類(lèi)似的.第9 路皮秒激光中心波長(zhǎng)約1053 nm,帶寬約3—4 nm.同樣考慮到驅(qū)動(dòng)激光實(shí)際波長(zhǎng)、光譜儀狹縫全開(kāi)、波長(zhǎng)校準(zhǔn)偏差等因素,兩者還算基本符合.這表明P2來(lái)源于皮秒激光.另外,如圖2(c)所示,靶的橫向尺寸比焦斑大得多,因此P2部分記錄的是從靶上原路返回的信號(hào).皮秒激光斜入射輻照平面靶,因此不存在直接的反射光,可能的來(lái)源包括在等離子體臨界面上的反射,或者是波長(zhǎng)變化很小的SBS 散射等.

對(duì)于P3,中心波長(zhǎng)1050.2 nm,光譜半高全寬約1.3 nm.中心波長(zhǎng)發(fā)生了明顯的改變,藍(lán)移約3 nm,半高全寬也發(fā)生了顯著的變化,在驅(qū)動(dòng)激光中找不到類(lèi)似的成分,因此可以明確地認(rèn)定這一部分是皮秒激光與大尺度等離子體相互作用產(chǎn)生的背向SBS 信號(hào).

事實(shí)上,利用高斯函數(shù)來(lái)進(jìn)行譜成分的擬合可能存在一定的問(wèn)題.對(duì)于上述P1,P2部分分別來(lái)源于本就是高斯型的納秒和皮秒激光,利用高斯函數(shù)來(lái)擬合是合適的.但是SBS 來(lái)源于激光與等離子體的非線(xiàn)性相互作用,光譜結(jié)構(gòu)通常非常復(fù)雜,采用高斯函數(shù)擬合未必合適.從具體結(jié)果來(lái)看,采用高斯函數(shù)擬合P3,造成了P1,P2和P3三部分之和與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在的差異(圖4 藍(lán)色虛線(xiàn)圈部分).更準(zhǔn)確的方式應(yīng)該是利用高斯函數(shù)擬合P1,P2,然后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)減掉這兩部分來(lái)獲得純粹的SBS 信號(hào).原則上,這會(huì)對(duì)SBS 信號(hào)能量份額的估計(jì)有所影響,但可以看出這一差異其實(shí)非常小,基本上可以忽略.

5 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)

圖5 是一個(gè)簡(jiǎn)易的靶室內(nèi)激光光束分布示意圖,圖5(a) 為沿水平方向從南向北看的側(cè)視圖,圖5(b) 為從上向下看的俯視圖.其中第9 路皮秒激光束位于靶室赤道面上,離軸拋物面鏡聚焦從西偏北21°水平入射,F# 約2.7;第5 路納秒激光光束位于靶室赤道面,與赤道面夾角40°斜向下入射,西偏北22.5°入射,基本上位于第九路的上方,F#約7.2.在靶室內(nèi)部赤道面下方約400 mm 的位置裝配有底板,為了保證多路入射激光光路的暢通,相應(yīng)位置的底板是可拆卸的.同時(shí),在各路入射激光對(duì)面窗口設(shè)置專(zhuān)門(mén)的吸收玻璃來(lái)吸收入射激光中剩余的基頻、二倍頻激光,從而減小在靶室內(nèi)部產(chǎn)生的背景噪聲.然而實(shí)驗(yàn)采用的納秒激光是第5 路,從上方入射,由于需要在底板上放置診斷一些設(shè)備和元件,第5 路對(duì)應(yīng)的底板并沒(méi)有拆掉.由于底板在第5 路激光聚焦打靶之后,被認(rèn)為并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響.從圖1 可以看出,背向散射需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)距離的傳輸,才能進(jìn)入壓縮室后的漫反射板,進(jìn)而被記錄到.因此,只有經(jīng)過(guò)靶點(diǎn)附近并進(jìn)入離軸拋物面鏡準(zhǔn)直后的光才有可能長(zhǎng)距離傳輸?shù)竭_(dá)漫反射板,即如圖5 中所標(biāo)示的紅色區(qū)域.而第5 路激光中剩余的基頻和二倍頻激光輻照在底板上,散射出的光會(huì)照亮靶室內(nèi)的支架和內(nèi)壁,其中可能會(huì)有部分光進(jìn)入背向散射的收集系統(tǒng),進(jìn)而形成納秒激光的干擾信號(hào),即光譜中的P1成分.

圖5 靶室內(nèi)激光光束分布示意圖 (a)側(cè)視圖;(b)俯視圖Fig.5.Schematic diagram of laser beam distribution in the target chamber:(a) Side view;(b) top view.

為此,考慮對(duì)方案進(jìn)行改變,選用第2 路激光作為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生大尺度等離子體的納秒激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn).第2 路納秒激光從靶室赤道面下方入射,與赤道面夾角40°,西偏南22.5°入射,F# 約7.2,與第5 路相比,除了上下入射方向不同,對(duì)于法線(xiàn)正西的平面靶來(lái)說(shuō),入射角度是一致的.第2 路納秒激光從下方入射,因此相應(yīng)的底板必須拆卸,光路中沒(méi)有阻礙,剩余激光直接進(jìn)入吸收玻璃被吸收.

圖6 是利用第2 路納秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生大尺度等離子體獲得的皮秒激光背向SBS 光譜,對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)條件是第2 路納秒激光波長(zhǎng)351 nm,脈寬約1.2 ns,能量約850 J,第9 路皮秒激光波長(zhǎng)1053 nm,脈寬約7.8 ps,能量約44.5 J,皮秒激光落后納秒激光后延1.5 ns.與圖3 和圖4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,驅(qū)動(dòng)激光的能量略高,其他條件相似.同樣,有效信號(hào)主要集中在 (1048—1058) nm 之間,但與圖4 存在明顯的差異,即位于1053 nm 附近的窄峰P1消失了.這表明前文對(duì)P1來(lái)源的分析是合理的,即P1來(lái)自于驅(qū)動(dòng)大尺度等離子體的納秒激光中的剩余基頻激光在靶室中的殘留背景.圖6 中同時(shí)給出了各部分的擬合曲線(xiàn),參數(shù)如表2 所列.與表1 相比,在中心波長(zhǎng)、半高全寬方面,P2,P3基本一致,表明他們的來(lái)源與圖4 的實(shí)驗(yàn)是一致的.

圖6 利用第2 路作為納秒激光驅(qū)動(dòng)的背向SBS 光譜及成分分解Fig.6.Component decomposition of backward SBS spectrum driven by 2# nanosecond laser.

表2 針對(duì)圖6 第2 路納秒激光實(shí)驗(yàn)的各部分高斯擬合曲線(xiàn)參數(shù)Table 2.Gaussian fitting curve parameters of each part using 2# nanosecond laser shown in Fig.6.

6 對(duì)結(jié)果的簡(jiǎn)單分析

圖4 和圖6 對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)能量略有差異,對(duì)光譜進(jìn)行能量歸一化處理,即光譜強(qiáng)度除以對(duì)應(yīng)的皮秒激光能量,結(jié)果如圖7 所示.可以明顯看出,除了納秒激光引起的很窄的尖峰(即P1成分)外,在1053 nm 附近,光譜非常接近,即分解后的P2成分基本相當(dāng),而同時(shí)藍(lán)移的峰(即P3成分)則差別較大.SBS 是一種非線(xiàn)性過(guò)程,受各種不確定因素影響,每發(fā)次之間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的跳動(dòng)是很正常的,P3成分符合這一點(diǎn),表明P3成分是完全來(lái)自背向SBS,是“純粹”的背向SBS 信號(hào).而P2則非常穩(wěn)定,與入射皮秒激光能量成線(xiàn)性的關(guān)系,說(shuō)明P2主要是來(lái)自皮秒激光在靶等離子體上的反射,其中也可能包含波長(zhǎng)變化很小的SBS 部分,但份額非常小.也就是說(shuō),P2對(duì)于背向SBS 來(lái)說(shuō)基本上屬于干擾的噪聲信號(hào),但這一部分信號(hào)卻無(wú)法采用實(shí)驗(yàn)的手段消除.

圖7 經(jīng)過(guò)能量歸一化的光譜,分別利用2#和5#納秒激光Fig.7.Energy normalized spectra driven by 2# and 5#nanosecond laser respectively.

可以分別計(jì)算一下各成分的強(qiáng)度,這里去除可以通過(guò)改變靶室內(nèi)條件消除掉的P1成分,只考慮皮秒激光帶來(lái)的干擾信號(hào)P2和背向SBS 信號(hào)P3.對(duì)于圖4 發(fā)次,擬合后的P2和P3對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)和分別是299120 和309448,即P3占總和的50.8%;對(duì)于圖6 發(fā)次,擬合后的P2和P3對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)和分別是415047 和272709,即P3占總和的39.7%.可以看出,“純粹”的背向SBS 信號(hào),即P3部分,其實(shí)在測(cè)量到的總的背向信號(hào)中的比重并不高,有時(shí)甚至不到一半.在本實(shí)驗(yàn)中,恰好選擇了納秒激光輻照平面薄膜靶這種構(gòu)型來(lái)產(chǎn)生大尺度的等離子體,等離子體會(huì)向靶兩側(cè)持續(xù)膨脹,作為相互作用的皮秒激光注入時(shí),遇到迎面而來(lái)的等離子體,相互作用產(chǎn)生的背向SBS 受到多普勒效應(yīng)的影響而發(fā)生藍(lán)移.SBS 信號(hào)(P3)發(fā)生藍(lán)移,而作為皮秒激光噪聲的P2不藍(lán)移,使得P2和P3信號(hào)可以分離,進(jìn)而能夠比較準(zhǔn)確地給出背向SBS 的份額.但在更普遍的情況下,背向SBS 會(huì)和干擾信號(hào)混雜在一起,即P2和P3信號(hào)混在一起,無(wú)法分離.如果把測(cè)量到的激光波長(zhǎng)附近的背向信號(hào)全部算為有效的背向SBS 散射信號(hào),并不能反映實(shí)際的背向SBS 信號(hào)的份額,這無(wú)疑將對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解產(chǎn)生巨大的影響.因此在對(duì)待背向SBS 散射測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),必須仔細(xì)地加以分析.

對(duì)于完全來(lái)自背向SBS 的P3來(lái)說(shuō),一個(gè)顯著的特點(diǎn)是中心波長(zhǎng)發(fā)生了藍(lán)移.藍(lán)移的可能原因是皮秒激光注入時(shí),大尺度等離子體存在明顯運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒效應(yīng).藍(lán)移對(duì)應(yīng)等離子體迎面而來(lái).在實(shí)驗(yàn)中,納秒激光輻照薄膜靶,在其后的納秒時(shí)間尺度內(nèi),產(chǎn)生的等離子體分別向兩側(cè)膨脹,皮秒激光在1.5 ns 之后從一側(cè)注入,恰好遇上膨脹的等離子體相互作用,發(fā)生藍(lán)移的SBS.另一個(gè)特點(diǎn)是P3的光譜峰的半高全寬只有 1.3—1.4 nm,比入射的皮秒激光的半高全寬4.3—4.4 nm 要窄得多.表明其發(fā)生的區(qū)域其實(shí)是比較窄的,那么具體發(fā)生區(qū)域密度是多少,離子聲波頻率是多少? 以及峰值藍(lán)移對(duì)應(yīng)的等離子體的流速是多少等? 這些問(wèn)題涉及到的因素比較復(fù)雜,需要配合數(shù)值模擬進(jìn)行深入的研究,這也是下一步需要開(kāi)展的主要工作之一.

值得注意的是,上述實(shí)驗(yàn)中,皮秒激光驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的功率密度均在5×1015W·cm–2甚至更高,這一數(shù)值比ICF 研究感興趣的功率密度條件高得多.通常情況,對(duì)于基頻激光驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō),功率密度在1014W·cm–2,就能夠激發(fā)出很強(qiáng)的背向SBS.具體實(shí)驗(yàn)中,也進(jìn)行了幾乘1014W·cm–2等功率密度的實(shí)驗(yàn),但信號(hào)很弱或淹沒(méi)在噪聲中.表明利用皮秒激光驅(qū)動(dòng)可以顯著地提高背向SBS 的發(fā)生閾值,與Rousseaux 等[21]的結(jié)果也一致.本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論可能無(wú)法直接應(yīng)用于ICF,但對(duì)時(shí)間尺度相當(dāng)?shù)钠っ爰す釲PI 的研究,將有助于更深入、細(xì)致地研究SBS 等LPI 過(guò)程的基本原理和規(guī)律.

7 結(jié)論

基于神光-II 升級(jí)與皮秒激光裝置,開(kāi)展了皮秒激光驅(qū)動(dòng)LPI 的實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)中獲得了背向SBS的光譜信息,經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析,認(rèn)識(shí)到其中包含了多個(gè)來(lái)源不同的成分,并確定了不同的來(lái)源.結(jié)果表明,有效的背向SBS 信號(hào)在測(cè)量到的背向信號(hào)中份額占比并不高.背向信號(hào)中還包含有來(lái)自皮秒激光引起的干擾信號(hào),且難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式去除.這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于更好地理解先前的相關(guān)背向SBS 等LPI 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,具有很好的參考價(jià)值.

感謝神光-Ⅱ升級(jí)及皮秒裝置全體運(yùn)行人員的大力協(xié)助.