高功率激光驅(qū)動(dòng)器受激拉曼散射控制的關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、有效控制高功率激光脈沖傳輸放大過(guò)程中各類非線性效應(yīng)一直是高功率激光驅(qū)動(dòng)器研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。其中，空氣中受激轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射(Stimulated Rotational RamanScattering，SRRS)效應(yīng)限制了激光脈沖長(zhǎng)程傳輸?shù)膹?qiáng)度（峰值功率）或傳輸距離;大口徑KDP晶體中橫向受激拉曼散射(Transverse Stimulated Raman Scattering，TSRS)和大口徑熔石英元件中橫向受激布里淵散射(Transv

2、erse Stimulated Brillouin Scattering，TSBS)效應(yīng)共同限制了三倍頻激光脈沖的強(qiáng)度，與自聚焦效應(yīng)（包括小尺度自聚焦和全光束自聚焦）共同構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器總體輸出能力的主要受限因素，通常稱為“功率受限條件”。
　　研制以聚變點(diǎn)火為主要目標(biāo)、輸出能力高達(dá)兆焦耳激光能量的巨型高功率激光驅(qū)動(dòng)器，有效控制各類非線性效應(yīng)既是確保光束質(zhì)量和諧波轉(zhuǎn)換效率的基本要求，也是驅(qū)動(dòng)器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。同時(shí)，積極探索并研

3、究突破“功率受限”的新技術(shù)途徑，不但有可能在相同條件下有效提升驅(qū)動(dòng)器輸出能力，更將豐富高功率激光科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)理論，為高功率激光驅(qū)動(dòng)器的持續(xù)發(fā)展提供必要的技術(shù)支撐。
　　為有效提升兆焦耳級(jí)高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體輸出能力、降低研制成本，將驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行通量進(jìn)行了較大幅度的提升。其中，基頻光(1ω)部分由淺度飽和放大區(qū)(FL～Fs)提高到深度飽和放大區(qū)(FL≥3Fs)，運(yùn)行通量達(dá)到(12～15)J/cm2;三倍頻(3ω)運(yùn)行通量也將提高數(shù)倍

4、，達(dá)到(6～8)J/cm2;同時(shí)驅(qū)動(dòng)器總體規(guī)模顯著提升，因此高功率激光脈沖傳輸過(guò)程中受激拉曼散射效應(yīng)(Stimulated Raman Scattering，SRS，包括TSRS與SRRS)的控制難度顯著增加。一方面上百束光束的編組，使得1ω脈沖長(zhǎng)程傳輸不可避免，已無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)在設(shè)計(jì)上縮短編組站光束管道長(zhǎng)度控制空氣中SRRS效應(yīng)。另一方面，在包含諧波轉(zhuǎn)換、諧波分離、光束聚焦、靶面光強(qiáng)控制、測(cè)量取樣等系列3ω功能元件的終端光學(xué)系統(tǒng)中，“

5、3ω短程傳輸”雖然為有效控制高功率3ω激光脈沖傳輸?shù)腟RRS效應(yīng)創(chuàng)造了條件，但引入了高通量運(yùn)行中雜散光、有機(jī)揮發(fā)物等對(duì)3ω元件的循環(huán)“污染”難以控制的難題，增加了元件損傷幾率，進(jìn)而限制驅(qū)動(dòng)器總體輸出能力。因此，在高功率3ω激光脈沖安全傳輸?shù)木嚯x內(nèi)，適度拉開(kāi)終端光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件的距離，有助于改善3ω元件運(yùn)行環(huán)境，降低循環(huán)“污染”的影響，無(wú)疑對(duì)提升驅(qū)動(dòng)器總體負(fù)載能力有利。
　　總之，在兆焦耳級(jí)高功率激光驅(qū)動(dòng)器研制中，不能簡(jiǎn)單沿用“傳

6、統(tǒng)”的設(shè)計(jì)方法，以高功率脈沖傳輸?shù)膹?qiáng)度·距離積(Intensity-Length product，IL)判據(jù)定性地判斷SRS對(duì)驅(qū)動(dòng)器總體性能的影響程度，必須進(jìn)一步研究其產(chǎn)生與增長(zhǎng)規(guī)律，為總體設(shè)計(jì)及運(yùn)行中SRS效應(yīng)的主動(dòng)控制奠定必要的理論基礎(chǔ)。
　　本論文立足前人研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究高功率激光脈沖長(zhǎng)程傳輸中SRRS和大口徑KDP晶體中TSRS效應(yīng)產(chǎn)生、增長(zhǎng)的機(jī)理與規(guī)律，為兆焦耳級(jí)高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體設(shè)計(jì)中定量控制SRS效應(yīng)提供必要的理

7、論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);同時(shí)，提出利用“橫向運(yùn)動(dòng)光束”抑制SRRS增長(zhǎng)的研究思路，為突破高功率激光驅(qū)動(dòng)器“功率受限條件”提供了新的研究途徑。論文主要研究?jī)?nèi)容與取得的主要進(jìn)步點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1、研究并完善了SRRS物理模型，建立模擬程序，定量研究了高功率激光脈沖SRRS產(chǎn)生與增長(zhǎng)規(guī)律的時(shí)域與空域特性，完成了物理模型和數(shù)值程序的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為兆焦耳級(jí)高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體設(shè)計(jì)中定量控制長(zhǎng)程傳輸SRRS效應(yīng)提供了必需的分析手段和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　

8、　建立了SRRS四維數(shù)值模型，可跟蹤具有任意空域及時(shí)域分布的基頻或三倍頻激光脈沖在線性衍射與SRRS非線性過(guò)程共同作用下，自身及產(chǎn)生的斯托克斯(Stokes)光場(chǎng)的時(shí)-空演變特性。與國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)報(bào)道以及近期開(kāi)展于神光-Ⅲ原型裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果校核，該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性得到了充分驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，激光脈沖的近場(chǎng)分布及口徑、時(shí)域調(diào)制及脈寬等都將影響SRRS增長(zhǎng)過(guò)程。另外，SRRS的增長(zhǎng)呈明顯的閾值特性，一旦入射激光脈沖能量的1％轉(zhuǎn)換為Stokes

9、，傳輸距離的微小增加將導(dǎo)致入射脈沖能量迅速損耗、Stokes急劇增長(zhǎng);時(shí)域上入射脈沖下降沿提前，脈寬變窄;空域上，Stokes光近場(chǎng)呈現(xiàn)深調(diào)制的散斑分布，峰值功率密度迅速增長(zhǎng)為入射脈沖強(qiáng)度的數(shù)倍。
　　2、根據(jù)SRRS產(chǎn)生、增長(zhǎng)的機(jī)理與規(guī)律，提出基于“橫向運(yùn)動(dòng)光束”抑制SRRS增長(zhǎng)的研究思路，基于“光譜角掃描”原理，完成了抑制機(jī)理和規(guī)律的初步研究，得到了部分有意義的研究成果，初步驗(yàn)證了“橫向運(yùn)動(dòng)光束”抑制SRRS增長(zhǎng)的科學(xué)可行性，

10、為高功率激光驅(qū)動(dòng)器有效控制SRRS、突破功率受限條件提供了一條有希望的技術(shù)途徑。
　　以起源于自發(fā)輻射噪聲的SRS過(guò)程中初始Stokes場(chǎng)呈“噪聲”特性為突破點(diǎn)，考慮到“噪聲”尖峰是SRS增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者，引入光束“橫向運(yùn)動(dòng)”的概念，使得“噪聲”尖峰處SRS效應(yīng)（光與原子系統(tǒng)相互作用）由“宏觀”穩(wěn)態(tài)過(guò)程變?yōu)椤拔⒂^”瞬態(tài)過(guò)程，拉曼增益顯著下降。以“光譜角掃描”光束作為“橫向運(yùn)動(dòng)光束”的一個(gè)例子，理論上證明了上述思路抑制SRS效應(yīng)的可

11、行性。
　　3、開(kāi)展了高通量運(yùn)行條件下，大口徑KDP晶體內(nèi)部TSRS效應(yīng)的理論研究，建立了物理模型和數(shù)值模擬程序，完成了關(guān)鍵因素的定量研究，為有效控制TSRS效應(yīng)奠定必要的理論基礎(chǔ)。
　　建立了大口徑元件中TSRS效應(yīng)數(shù)值模型，計(jì)算了TSRS過(guò)程中產(chǎn)生的Stokes光在晶體內(nèi)分布，與實(shí)驗(yàn)觀察到的晶體損傷形貌基本吻合，初步證明TSRS效應(yīng)與晶體高通量運(yùn)行損傷間的關(guān)系;推導(dǎo)了Stokes光強(qiáng)增長(zhǎng)的解析解，可直接計(jì)算任意光束口徑及

12、脈寬，任意晶體口徑及邊緣反射率條件下Stokes光場(chǎng)峰值強(qiáng)度，明確各參量對(duì)Stokes增長(zhǎng)的定量影響關(guān)系，為T(mén)SRS的有效控制提供了必要的分析手段。
　　本論文建立的SRRS與TSRS數(shù)值模型與模擬軟件，雖已與國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果校核，證明了具有一定的置信度，但仍需開(kāi)展系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)一步完善。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，論文僅開(kāi)展了高功率激光脈沖長(zhǎng)程傳輸SRRS效應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)研究，而對(duì)于大口徑晶體中TSRS效應(yīng)，只有定性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外，