雙錐對撞點火實驗中的交叉束能量轉移與背向受激布里淵散射*

高凡 袁鵬? 黃浩彬 寇琦 賈青 遠曉輝 張喆 張杰4) 鄭堅3)

1) (中國科學技術大學核科學技術學院,合肥 230026)

2) (上海交通大學物理與天文學院,激光等離子體教育部重點實驗室,上海 200240)

3) (上海交通大學 IFSA 協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

4) (中國科學院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

5) (松山湖材料實驗室,東莞 523808)

在直接驅動激光聚變研究中,激光輻照靶丸會激勵起受激布里淵散射(SBS)和交叉束能量傳遞(CBET)等過程,降低激光與靶丸的能量耦合效率以及激光輻照均勻性,導致靶丸內爆品質下降.本文使用一套基于光纖收集信號的背向散射診斷系統(tǒng),診斷了雙錐對撞點火(DCI)實驗中波長在351 nm 附近的時間分辨背向散射光譜.通過對比不同激光輻照條件下散射光譜的特征,結合光譜強度與入射激光能量以及激光偏振態(tài)的相關性分析,確認背向散射信號中包含了分別來自CBET 和背向SBS 過程的散射成分,確認鏡像激光束之間的偏振夾角對CBET 的影響.實驗結果表明,在當前DCI 實驗中,在351 nm 附近的背向反射率不高于3%,顯著低于球對稱輻照直接驅動中心點火方案的實驗結果.

1 引言

自Nuckolls 等[1]提出利用激光燒蝕對燃料進行球對稱內爆壓縮,從而實現激光聚變中心點火的概念以來,陸續(xù)出現了不少基于直接或間接驅動路線的激光聚變點火方案[2?7].2022 年末,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在國家點火裝置上,采用間接驅動的方式,歷史性地實現了聚變輸出能量超過激光輸入[8].不同于美國勞倫斯利弗莫爾實驗室采用的間接驅動中心點火方案,Zhang 等[9]于2020 年提出雙錐對撞點火方案(double-cone ignition,DCI),該方案將燃料殼置于兩個相向放置的金錐之中,與中心點火方案相比,降低了對壓縮激光能量的要求;DCI 方案將中心點火方案中在時空上緊密耦合的內爆壓縮、加熱、點火這3 個復雜的物理過程分解為近等熵壓縮、混合加速、對撞預加熱,以及磁場引導快點火等4 個緊密相連的物理過程,規(guī)避了中心點火方案中燃料在減速階段所面臨的流體力學不穩(wěn)定性給點火帶來的巨大風險.因此,DCI 在提高激光與靶丸能量耦合效率、降低流體力學不穩(wěn)定性給點火帶來的風險等方面都具有獨特的優(yōu)勢,有望降低壓縮激光和點火激光的能量要求,從而降低實現激光聚變點火的難度.

然而,無論采用何種驅動方式,激光聚變都面臨著一個共同的重要挑戰(zhàn),即激光等離子體相互作用 (laser-plasma interactions,LPIs) 激勵的各種參量不穩(wěn)定性[10].在雙錐對撞點火方案中,不可避免地使用多束激光輻照靶丸.在這種激光輻照條件下,LPI 囊括性質不同的諸多參量不穩(wěn)定性過程[10,11]:單激光束可以激勵受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)以及雙等離子體衰變(two plasma decay,TPD)不穩(wěn)定性等;多激光束則能夠在等離子體中激勵新的物理過程,如未被吸收的殘余入射光與入射激光相互作用發(fā)生的交叉束能量傳遞(CBET)、共用離子聲波散射[12,13]等.SBS 與CBET 在間接驅動和直接驅動激光聚變實驗中都扮演了非常重要的角色,因而近年來受到極大關注[14?17].Michel 等[18]發(fā)現從臨界密度或者反射面來的散射光會成為 SBS 重要的種子源,并與泵浦光相互作用,在等離子體中形成類似光柵的結構,將大量的泵浦光能量轉移至種子光[19],極大降低了激光與靶丸的能量耦合效率.不僅如此,實驗發(fā)現CBET 與SBS 過程會影響激光的輻照均勻性,從而降低內爆品質[20].

目前,直接驅動激光聚變中CBET 與SBS 的實驗研究主要在美國的OMEGA 激光裝置上開展[21?23].而DCI 由于其非球對稱的靶構型,激光輻照方式與傳統(tǒng)的直接驅動中心點火方案不同,等離子體狀態(tài)與能量耦合情況也不同,因此OMEGA等裝置上的結果只能作為參考,對DCI 位形下的CBET 與SBS 進行診斷是十分必要的.我們?yōu)樯窆釯I 升級裝置[24]上的DCI 集成實驗[25]設計了一套利用光纖取樣鏡面散射光的背向散射診斷系統(tǒng),并利用此診斷系統(tǒng)對DCI 集成實驗中SBS 波段內的背向散射信號開展了系統(tǒng)性的實驗研究,通過對散射信號特征與入射激光能量以及位形的相關分析,可認為在DCI 集成實驗中,發(fā)生了CBET 與SBS兩種過程,且CBET 份額高于SBS.

2 診斷系統(tǒng)與實驗安排

2.1 神光Ⅱ升級裝置與DCI 實驗打靶位形

DCI 神光Ⅱ升級裝置具有8 束納秒加熱激光束,激光入射方向與豎直方向有50°夾角,環(huán)向上靶室上下各均勻分布4 束,為了防止對穿,上下半球的激光束在環(huán)向上錯開45°排布.8 束激光編號由#1—#8,排布如圖1(a)所示.在DCI 正式實驗中,雙錐靶上下放置,#1,#3,#5,#7 束激光輻照上錐,#2,#4,#6,#8 束激光輻照下錐,上4 束激光焦斑疊合在上錐冠頂下方150 μm 處.每一束激光采用連續(xù)相位板進行勻滑,焦斑直徑700 μm,能量約為1.75 kJ,單束激光的峰值靶面功率密度約為1.8×1014W/cm2,激光工作波長為351 nm.

圖1 神光Ⅱ升級激光打靶輻照示意 (a) 激光輻照俯視圖;(b) 激光輻照側視圖Fig.1.Schematic diagram of Shenguang IIU laser irradiation configuration: (a) Top view of laser irradiation;(b) side view of laser irradiation.

實驗中采用的雙錐靶構形如圖1(b)所示.燒蝕殼層被置于張角為100°的金錐當中,錐口相距100 μm 正對放置.實驗采用了多種殼層結構與材料,如45 μm 厚的聚對二甲苯(C16H16),45 μm 厚的氯代聚對二甲苯(C16H14Cl2)(下文稱CHCl 靶),由15 μm 厚的聚對二甲苯和30 μm 厚的氘代聚苯乙烯((C8 D8)n)構成的分層靶.

CBET 與發(fā)生相互作用的兩個激光束之間的偏振夾角有關,我們給出DCI 打靶位形下上四束激光偏振情況.如圖2(a)所示,長的紫色箭頭代表各束激光傳輸方向,紫色箭頭上的小箭頭代表該光束的偏振方向.#5,#7 路激光的具體偏振情況見表1.可以看到,這兩束激光的偏振方向在DCI 雙錐靶打靶位形下與其對向光束偏振方向之間的夾角不同.在入射激光束與其對向激光束的反射光之間可能發(fā)生CBET,作為參考,在表1 中分別給出了鏡面反射情況下#5 路、#7 路激光與其對向光束的偏振方向夾角,在實驗中,由于等離子體的存在,具體情況更為復雜.

表1 #5,#7 路激光偏振情況Table 1.#5,# 7 laser beam polarization.

圖2 激光偏振示意圖 (a) 上四路激光偏振示意圖;(b) 沿激光傳輸方向偏振示意Fig.2.Laser polarization diagram: (a) Diagram of the polarisation of the upper four lasers;(b) diagram of the polarisation along the direction of laser transmission.

2.2 背向散射光診斷系統(tǒng)

如圖3(a)所示,基頻光由伺服反射鏡反射進入靶室,經過連續(xù)相位板勻滑后由倍頻晶體倍頻至三倍頻.三倍頻激光再經過楔形透鏡、防濺射板等光學元件[26],最終輻照到雙錐靶上.該診斷系統(tǒng)利用光纖收集被伺服反射鏡鏡面所散射的背向散射光,通過耦合了光譜儀的條紋相機對散射信號進行采集,最終給出背向散射的條紋光譜圖.在集成實驗中利用兩根收光光纖分別對#5 路、#7 路最后一片伺服反射鏡鏡面中心區(qū)域進行收光.圖3(b)是一發(fā)典型結果,背向散射信號在三倍頻波段主要由在時間上分開的三部分信號組成.信號A 來自激光在三倍頻晶體后表面的反射光,其信號總計數記為CA,信號B 來自激光在楔形透鏡、防濺射板等器件表面上的雜散光,信號C 來自靶點處的正背向散射,其信號總計數記為CC.背向散射份額RBS則可以通過下式給出[27]:

圖3 背向散射診斷示意 (a) 激光光路光學元件組成與診斷設備;(b) 診斷系統(tǒng)典型結果Fig.3.Schematic diagram of backscatter diagnosis: (a) Composition and diagnosis equipment of optical elements of laser optical path;(b) typical results of diagnostic system.

其中T為主、次防濺射板、楔形透鏡和三倍頻晶體近靶點側表面的透過率,R為三倍頻晶體后表面反射率,EBS為靶點處產生的正背向散射光能量,Etarget為輻照到靶點的該路三倍頻激光能量.根據終端光學組件內相關元件的透過率、反射率標定數據計算得出R/T2=3.2,結合信號A、信號C 的計數比,便可以給出背向散射光的份額.同時,利用條紋相機的高速掃描檔位對背向散射光譜的時間行為開展更加細致的實驗研究.

分析實驗數據時,誤差主要來源于以下幾個方面: 計算背向散射光份額時,信號A 與信號C 的計數由于選取區(qū)域帶來的數據處理誤差;譜儀-條紋相機系統(tǒng)對于相同能量的響應不同、終端光學組件由于使用帶來的損傷導致的透射率、反射率變化和由于采用光取樣而激光光斑的不均勻帶來的系統(tǒng)誤差.

對于圖像處理所帶來的誤差,采用多次處理的方法,計算得到誤差約為4.3%.對于譜儀-條紋相機的響應誤差,通過統(tǒng)計多發(fā)以入射激光能量歸一化的A 區(qū)域(見圖3(b))總計數,得到該響應誤差約為4.7%.由于無法在每個發(fā)次后都對終端光學組件進行標定,在計算散射份額時使用了實驗前靶場給出的標定結果.在實驗過程中終端光學組件的透過率逐漸降低,因此我們計算的背向散射份額實際上代表著該發(fā)次下的背向散射份額下限.考慮光纖取樣帶來的誤差,估計整套系統(tǒng)的誤差約為15%[27].該套診斷系統(tǒng)得出的背向散射光份額與集成實驗中全口徑背向散射系統(tǒng)得到的結果趨勢相同,大小基本一致,這證明了該套診斷系統(tǒng)的可行性.

3 實驗結果和分析

圖4 為一幅典型時間分辨背向散射光譜圖以及DCI 實驗中的典型激光波形,這發(fā)實驗結果使用了條紋相機的11 ns 掃描檔位采集了靶點處的正背向散射信號(圖3(b)中的信號C).圖中–2 ns,–1.2 ns 與–0.4 ns 時的信號分別為激光第一、第二和第三個預脈沖對應的背向散射信號.在主脈沖加載期間,背向散射譜呈現出“雙峰”特征.其中“藍峰”信號的波長差在0—2 ?,持續(xù)時間較長;“紅峰”信號的波長差在2—4 ?,持續(xù)時間較短.

圖4 典型背向時間分辨散射光譜與激光波形 (紅色曲線)Fig.4.Typical time-resolved backscattering spectrum and laser waveform (red line).

通過對比實驗來輔助判斷這兩部分信號的來源.圖5 為分別加載#1/#3 路、#1/#3/#5 路、#1/#7 路及#1/#3/#5/#7 路時診斷到的#7 路背向散射譜.激光僅加載#1/#3 路時,背向散射光譜在0 ?附近有一明顯信號.當加載激光從#1/#3路變?yōu)榈?1/#3/#5 時,背向散射譜的強度以及光譜時間演化行為基本一致,據此排除了該信號來自#3 路、#5 路側向散射的可能,進而判斷出該信號來自#1 路激光的反射光.而當僅加載#1/#7 路激光時,背向散射譜中#1 路反射光部分的信號強度成量級增長,可認為發(fā)生了CBET 過程,#1 路激光的反射光被#7 路激光放大.此外,在加載#1/#7 路激光時,還出現了一個波長變化較長(–2—2 ?)的信號,該信號僅在#7 路激光開啟時出現,判斷該信號為#7 路激光激勵的SBS信號.

圖5 對比實驗的背向散射光譜Fig.5.The results of the experiments with different laser conditions.

當等離子體特征梯度標長遠大于激光波長,離子聲波的阻尼顯著且以朗道阻尼為主,可采用穩(wěn)態(tài)對流增益模型來描述SBS 的增益[28]:

其中,νIAW為離子聲波朗道阻尼,vte為電子熱速度,L為等離子體密度梯度標長,v0為電子在激光光場中的抖動速度.從(2)式可以看出,SBS 的增益因子與泵浦光強成正比,和電子熱速度成反比.因此,增強泵浦光(#7)會使SBS 效應增強,而上四路整體激光能量的升高會使電子溫度提升,電子熱速度增大,使SBS 增益降低.

首先利用靶場標稱激光能量與激光信號計數CA計算出其信號計數對應的能量.再將其與各路激光能量的關系進行統(tǒng)計,其結果如圖6 所示.從圖6 可以直觀看出,這部分信號能量有隨#7路激光能量增強而變大的趨勢.由于#7 路激光能量與該信號本身成正相關,#5 路激光與#7 路激光同源,因此使用#1 與#3 兩路激光能量和代表整體的輻照能量.計算得出SBS 能量與#1,#3路能量之和的相關系數為–0.54,與#7 路能量相關系數為0.69.因此,該信號與#7 路激光強度有很強的正相關性,與#1,#3 光強有著較強的負相關性,這與上述SBS 的穩(wěn)態(tài)對流增益理論是定性一致的.這為我們判斷該信號為SBS 信號提供了佐證.

圖6 SBS 能量與各路激光能量關系 (a)與#1 路激光能量的關系;(b)與#1+#3 路激光能量之和的關系Fig.6.Relation between SBS energy and laser energy:(a) Relationship with #1 way laser energy;(b) relationship with the sum of #1+#3 way laser energy.

經過上述分析,我們認為在主脈沖加載期間,波長在351 nm 附近的背向散射信號至少來自兩個過程: 持續(xù)時間較長的“藍峰”信號是鏡像光束#1 路激光的反射光與#7 路激光經由CBET 效應放大得到的信號;持續(xù)時間較短的“紅峰”信號是#7 路激光激勵的SBS 信號.以此物理圖像為基礎,將#5 和#7 路背向散射信號分為SBS 信號和CBET 信號分別進行處理,其結果如圖7 所示.圖7(a)顯示#5,#7 路背向散射總份額大小為1%—3%,而在相似的激光靶面功率密度條件下,OMEGA裝置上中心點火方案的背向散射份額約為10%—20%[23].可推測DCI 方案的背向散射份額低的原因可能有兩個: 一是由于傳統(tǒng)的直接驅動方案中,激光束光軸通過球對稱靶丸的球心,而DCI 方案的激光輻照方式更接近于斜入射;二是DCI 方案使用金錐簡化了傳統(tǒng)的球對稱輻照,并將壓縮與加熱兩個物理過程分離,因而能夠充分控制壓縮過程中的不穩(wěn)定性過程的發(fā)展,提高激光-靶丸耦合效率.因此,當前DCI 方案的背向散射份額顯著小于傳統(tǒng)中心點火方案.對比圖7(b)中#5 和#7 路背向散射的SBS 份額,其大小基本接近.出現明顯差別的是兩路的CBET 份額,#5 路CBET 份額系統(tǒng)性大于#7 路CBET 份額.離子聲波耦合方程有如下的形式[10]:

圖7 #5,#7 路三倍頻波段背向散射統(tǒng)計 (a) 三倍頻波段背向散射總份額;(b) CBET 份額與SBS 份額Fig.7.Statistics of #5 and #7 Channels: (a) Total tripletband backscattered energy fraction;(b) CBET and SBS energy fraction.

其中A0,As分別代表泵浦光和種子光的矢勢,代表等離子體的密度擾動.從耦合方程中可以看到,泵浦光和種子光的偏振夾角所影響的有質動力項?2(A0·As)在參量放大過程中起著至關重要的作用.由于#5,#7 背向散射診斷的其他實驗條件一致,因此可認為CBET 份額的不同是這兩路激光與其對向激光的偏振方向夾角不同所導致的,這與上述理論定性一致.

4 總結

本工作為神光Ⅱ升級裝置上的DCI 集成實驗發(fā)展了一套簡單、可靠的背向散射診斷系統(tǒng),該診斷系統(tǒng)通過光纖取樣反射鏡鏡面的散射光診斷散射信號,并采用相對測量的方式給出背向散射份額.實驗結果表明,在當前DCI 實驗條件下,351 nm附近的背向散射份額僅在1%—3%的水平.通過對比實驗以及背向散射信號與激光能量的相關性,判斷出背向散射包含了CBET 和SBS 兩種過程.最后通過#5 路、#7 路背向散射光譜中CBET 份額的差異印證了光束間偏振夾角對與CBET 效應的影響,為后續(xù)大型激光聚變裝置的設計提供參考.