神光Ⅱ充氣黑腔靶受激拉曼散射測量

王傳珂，蔣小華，蔣 剛，王哲斌，況龍鈺，劉慎業，丁永坤

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

在間接驅動激光慣性約束聚變(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，激光在黑腔靶的內壁能量轉換為X光，X光輻射在內爆靶丸上燒蝕靶丸材料產生燒蝕壓，驅動靶丸內爆[1-2]。X光輻射同時在黑腔靶的內壁燒蝕出高Z等離子體。隨著持續時間的增加，黑腔內等離子體的密度愈加均勻，形成適合等離子體中不穩定性對流的增長。激光束在到達靶固體表面轉化為X射線前要穿過一個充氣區域。大尺度、低密度等離子體在此區域形成并通過受激拉曼散射(SRS，激光共振地衰變為電子等離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為離子聲波和散射光波的三波作用過程)機制散射激光能量。美國國家點火裝置(NIF)上使用的黑腔靶，一般在黑腔內填充低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等離子體向中心會聚，減小堵腔效應；同時，低Z氣體對彈著點發光面的運動有較好的抑制作用，使得靶丸表面的輻照均勻性不隨時間變化[3-4]。

國內對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下金黑腔輻射溫度、SRS和SBS光譜的測量方面，對于三倍頻激光與充氣黑腔靶相互作用的研究報道較少。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 實驗條件和布局

1.1 實驗條件

實驗在神光Ⅱ釹玻璃激光裝置上進行[5-7]。神光Ⅱ是我國開展ICF研究的重要實驗平臺之一。目前銣玻璃激光可同時輸出8路三倍頻激光，總輸出功率約3×1012W。實驗中8路激光分南北2簇從內切于靶室的正立方體的8個頂點通過打靶透鏡獨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。

實驗用靶采用標準黑腔靶(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標準黑腔靶示意圖，兩種黑腔靶均為直徑800 μm、長度1 350 μm的標準黑腔靶，黑腔靶壁材料為金，黑腔中放置有一塑料(碳氫材料)靶丸，內充氘氚(或氘氘)燃料氣體。本實驗中，充氣黑腔靶內填充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。黑腔內所充氣體一般應滿足3個條件：

1) 充氣壓力應足夠高，能起到約束黑腔靶等離子體運動的作用；

2) 氣體全部電離后電子密度不能太高，否則激光在到達彈著點前衰減嚴重，不利于X光在高Z等離子體中的轉換；

3) 填充氣體不能產生強烈的受激散射。

一般黑腔內充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。

圖1 神光Ⅱ標準黑腔靶示意圖

1.2 實驗布局

實驗首先在標準黑腔靶中充0.1 MPa氬氣來實現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。通過背向散射測量系統測量SRS的能量反射率，利用光譜儀配光學條紋相機來測量SRS散射光的時間變化。

圖2示出了激光裝置某一路背向散射測量系統的光路[8]，背向散射測量系統由系列光學濾光片和能量卡計組合而成。打靶激光經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打靶透鏡、窗口玻璃、伺服反射鏡和反射鏡進入束縮系統，而后經散射光頻率分離系統進入到最終的能量卡計，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干擾，在SRS能量卡計和SBS能量卡計前分別設計帶寬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能量卡計測量了SRS中的大部分散射光。

圖2 SRS散射光譜測量實驗排布

時間分辨的背向SRS散射光譜采用光纖從背向散射測量系統中引光至光學多道分析器(OMA譜儀)，再配光學條紋相機，光譜信號用光學CCD記錄。OMA譜儀由輸入光學系統、狹縫、光譜色散元件、光學成像系統和記錄系統構成。光譜的強度只有相對的意義，光譜分辨為0.05 nm，時間分辨為10 ps。實驗前，譜儀光柵衍射效率、條紋相機MCP增益、光陰極量子效率、CCD量子效率均需嚴格標定。

2 實驗結果和分析

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，實驗測量得到的充氣黑腔靶與標準黑腔靶的背向SRS反射率。由圖3可看出，與標準黑腔靶實驗結果相比，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為等離子體德拜長度。三波過程產生散射光波，損失激光能量，減少吸收系數。SRS的另一個波是電子等離子體波，凡是有電子等離子體波產生的過程，跟隨波前進的電子最終由朗道阻尼或波破將電子等離子體波能量轉移給電子，產生超熱電子，其能量約為m(ωEPW/kEPW)2/2，其中m為電子質量，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。超熱電子能預熱靶芯、影響對稱性、降低壓縮度，根據理論和實驗研究，拉曼超熱電子和拉曼散射光能量近似相等。

圖3 充氣黑腔靶與標準黑腔靶的背向SRS反射率對比

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，在激光作用光路上形成了相對均勻的等離子體電子密度的分布，降低了非線性過程的對流阻尼，從而增加了非線性過程的增長率，增加了非線性散射光的反射率。

2.2 SRS時間光譜

圖4示出了實驗測得的SRS光譜時間分辨圖像，縱坐標為時間方向，從上到下掃描；橫坐標為波長方向，從右到左為短波到長波方向。圖中的526 nm銳光來源于入射激光在倍頻過程中產生的二倍頻光，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入譜儀的，因此在時間上要早于散射光。實驗中一般用它作相對時間和絕對波長的定標[7]。從圖4可看出，在激光作用前期，無SRS散射光出現，之后散射光譜在長波方向出現，并隨時間逐漸向短波方向移動，直到SRS散射光結束。

圖4 標準黑腔靶(a)和充氣黑腔靶(b)的時間分辨SRS背向散射光譜

對SRS散射光的時間光譜的實驗結果表明，在激光與標準黑腔靶作用時，SRS僅在作用激光的峰值附近約200 ps的時間內被激發。充氣后，黑腔內SRS的激發時間較標準黑腔提前，幾乎從入射激光出現時就被激發，時間持續約800～900 ps，但散射光譜結構和時間發展趨勢一致，隨著持續時間的增加，光譜向短波方向移動。這主要由于在標準黑腔靶情況下，激光與黑腔靶壁作用前期，黑腔內等離子體和平面靶作用類似，黑腔內等離子體的梯度大，SRS過程的對流阻尼大，SRS過程被抑制。隨著持續時間的增加，黑腔靶對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，散射光譜隨時間向短波方向運動。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時就被激發。隨后，黑腔壁高Z材料形成的等離子體提高了黑腔內的電子密度，致使SRS散射光譜也逐漸向短波方向移動。

3 結論

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，黑腔內電子溫度較高，SRS增長率大，背向的SRS散射光能量增加，SRS的反射率由標準黑腔靶的0.05%以下增長到1%～1.5%。同時，標準黑腔靶相比SRS被激發的時間也延長。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系，是下一步研究工作的方向。

感謝中國科學院-中國工程物理研究院高功率激光物理聯合實驗室神光Ⅱ裝置運行人員、中國工程物理研究院激光聚變研究中心實驗和制靶人員的辛勤工作。

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