高功率激光驅動器受激拉曼散射控制的關鍵問題研究.pdf

1、有效控制高功率激光脈沖傳輸放大過程中各類非線性效應一直是高功率激光驅動器研究的重點內容之一。其中，空氣中受激轉動拉曼散射(Stimulated Rotational RamanScattering，SRRS)效應限制了激光脈沖長程傳輸的強度（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)效應共同限制了三倍頻激光脈沖的強度，與自聚焦效應（包括小尺度自聚焦和全光束自聚焦）共同構成驅動器總體輸出能力的主要受限因素，通常稱為“功率受限條件”。
　　研制以聚變點火為主要目標、輸出能力高達兆焦耳激光能量的巨型高功率激光驅動器，有效控制各類非線性效應既是確保光束質量和諧波轉換效率的基本要求，也是驅動器安全、穩(wěn)定運行的必要條件。同時，積極探索并研

3、究突破“功率受限”的新技術途徑，不但有可能在相同條件下有效提升驅動器輸出能力，更將豐富高功率激光科學與技術基礎理論，為高功率激光驅動器的持續(xù)發(fā)展提供必要的技術支撐。
　　為有效提升兆焦耳級高功率激光驅動器總體輸出能力、降低研制成本，將驅動器運行通量進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)，運行通量達到(12～15)J/cm2;三倍頻(3ω)運行通量也將提高數倍

4、，達到(6～8)J/cm2;同時驅動器總體規(guī)模顯著提升，因此高功率激光脈沖傳輸過程中受激拉曼散射效應(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脈沖長程傳輸不可避免，已無法簡單地通過在設計上縮短編組站光束管道長度控制空氣中SRRS效應。另一方面，在包含諧波轉換、諧波分離、光束聚焦、靶面光強控制、測量取樣等系列3ω功能元件的終端光學系統(tǒng)中，“

5、3ω短程傳輸”雖然為有效控制高功率3ω激光脈沖傳輸的SRRS效應創(chuàng)造了條件，但引入了高通量運行中雜散光、有機揮發(fā)物等對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，進而限制驅動器總體輸出能力。因此，在高功率3ω激光脈沖安全傳輸的距離內，適度拉開終端光學系統(tǒng)各光學元件的距離，有助于改善3ω元件運行環(huán)境，降低循環(huán)“污染”的影響，無疑對提升驅動器總體負載能力有利。
　　總之，在兆焦耳級高功率激光驅動器研制中，不能簡單沿用“傳

6、統(tǒng)”的設計方法，以高功率脈沖傳輸的強度·距離積(Intensity-Length product，IL)判據定性地判斷SRS對驅動器總體性能的影響程度，必須進一步研究其產生與增長規(guī)律，為總體設計及運行中SRS效應的主動控制奠定必要的理論基礎。
　　本論文立足前人研究基礎，重點研究高功率激光脈沖長程傳輸中SRRS和大口徑KDP晶體中TSRS效應產生、增長的機理與規(guī)律，為兆焦耳級高功率激光驅動器總體設計中定量控制SRS效應提供必要的理

7、論與實驗基礎;同時，提出利用“橫向運動光束”抑制SRRS增長的研究思路，為突破高功率激光驅動器“功率受限條件”提供了新的研究途徑。論文主要研究內容與取得的主要進步點總結如下:
　　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產生與增長規(guī)律的時域與空域特性，完成了物理模型和數值程序的實驗驗證，為兆焦耳級高功率激光驅動器總體設計中定量控制長程傳輸SRRS效應提供了必需的分析手段和實驗依據。
　

8、　建立了SRRS四維數值模型，可跟蹤具有任意空域及時域分布的基頻或三倍頻激光脈沖在線性衍射與SRRS非線性過程共同作用下，自身及產生的斯托克斯(Stokes)光場的時-空演變特性。與國內外實驗報道以及近期開展于神光-Ⅲ原型裝置的實驗結果校核，該數值模型的準確性得到了充分驗證。研究結果表明，激光脈沖的近場分布及口徑、時域調制及脈寬等都將影響SRRS增長過程。另外，SRRS的增長呈明顯的閾值特性，一旦入射激光脈沖能量的1％轉換為Stokes

9、，傳輸距離的微小增加將導致入射脈沖能量迅速損耗、Stokes急劇增長;時域上入射脈沖下降沿提前，脈寬變窄;空域上，Stokes光近場呈現(xiàn)深調制的散斑分布，峰值功率密度迅速增長為入射脈沖強度的數倍。
　　2、根據SRRS產生、增長的機理與規(guī)律，提出基于“橫向運動光束”抑制SRRS增長的研究思路，基于“光譜角掃描”原理，完成了抑制機理和規(guī)律的初步研究，得到了部分有意義的研究成果，初步驗證了“橫向運動光束”抑制SRRS增長的科學可行性，

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

11、行性。
　　3、開展了高通量運行條件下，大口徑KDP晶體內部TSRS效應的理論研究，建立了物理模型和數值模擬程序，完成了關鍵因素的定量研究，為有效控制TSRS效應奠定必要的理論基礎。
　　建立了大口徑元件中TSRS效應數值模型，計算了TSRS過程中產生的Stokes光在晶體內分布，與實驗觀察到的晶體損傷形貌基本吻合，初步證明TSRS效應與晶體高通量運行損傷間的關系;推導了Stokes光強增長的解析解，可直接計算任意光束口徑及

12、脈寬，任意晶體口徑及邊緣反射率條件下Stokes光場峰值強度，明確各參量對Stokes增長的定量影響關系，為TSRS的有效控制提供了必要的分析手段。
　　本論文建立的SRRS與TSRS數值模型與模擬軟件，雖已與國內外相關實驗結果校核，證明了具有一定的置信度，但仍需開展系列驗證實驗對其進一步完善。由于實驗條件限制，論文僅開展了高功率激光脈沖長程傳輸SRRS效應的定量實驗研究，而對于大口徑晶體中TSRS效應，只有定性的實驗現(xiàn)象。另外，