（光学专业论文）靶场强激光频率变换及传输特性研究.pdf

靶场强激光频率变换及传输特性研究 光学专业 研究生李琨指导教师张彬 宽带激光在惯性约束聚变( i c f ) 激光驱动器靶场系统中的频率转换及传输特 性是i c f 研究中的一个重要内容，本论文具体针对这方面的问题展开了系统的 研究，主要内容包括： 1 ) 高强度谐波转换物理模型的建立及数值仿真软件的开发 建立了较为全面的高强度谐波转换的物理模型，详细考虑了近轴衍射、离 散效应、群速度失配、三阶非线性效应( 自相位调制和交叉相位调制效应) 、入射 基频光的振幅和位相变化、晶体吸收和表面反射等在内的诸多因素的影响，编 写了相应的数值模拟程序。利用美国l l n l 的理论及实验结果对该程序进行了 大量的验证工作，证实其正确性和可靠性。在此基础上，开发了功能较为全面 的、具有可视化界面的高强度三倍频数值仿真软件。 该软件的开发，为谐波转换实验结果的分析以及谐波转换方案的优化提供 了便捷、可靠的模拟平台。将该软件用于中国工程物理研究所神光i 原型装置 2 0 0 4 2 0 0 5 年的首束达标实验结果的分析，取得了较好的效果。 2 ) 高强度纳秒脉冲宽带激光频率转换的研究 针对i i i h 类角度失谐匹配方式的晶体级联三倍频，分析了影响三倍频光谱 及转换效率的因素；提出了一种新的采用i i i ，i 类角度失谐匹配方式的晶体级联 三倍频方案，分析了入射基频光强度和带宽以及晶体厚度对三倍频转换效率的 影响，并对晶体参数进行了优化；分析了采用光谱角色散( a s d ) 方法实现宽 带倍频的原理，指出了传统的a s d 方式的局限性，提出了非共线的a s d 和频 方式，并对光栅角色散率进行了优化设计。采用非共线a s d 和频方式的优点在 干适用带宽范围大、三倍频转换效率较高并且方案简单。 高强度纳秒脉冲宽带激光是发展时间光束匀滑技术的基础，同时，宽带激 光可抑制大e 1 径激光器件中的有害非线性效应、避免大口径元件的破坏、改善 光束的近场均匀性。因此，系统地研究高强度纳秒脉冲宽带激光的频率转换， 对于i c f 的研究具有重要的意义。 3 ) 高强度飞秒脉冲激光频率转换的理论及实验研究 对采用k d p 晶体的i 类及类角度失谐匹配方式的高强度飞秒脉冲二倍频 过程进行了理论研究。首次在国内针对脉冲宽度( f w h m ) 3 0 f s 、能量3 0 1 5 0 m j 、 中心波长8 0 0 r i m 的飞秒脉冲，采用厚度为l m m 的k d p 晶体进行了i 类二倍频 实验，获得了1 0 左右的二倍频转换效率。对实验结果进行了理论分析，讨论 了基频光初始频率啁啾、光强调制、位相畸变以及三阶非线性效应等因素对二 倍频光转换效率及频谱宽度的影响。在此基础上，进一步提出了飞秒脉冲二倍 频实验的改进措施。 此外，还对高强度飞秒脉冲单块b b o 晶体产生三倍频的过程进行了理论及 实验研究。定量分析比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效 应对三倍频转换效率的作用，讨论了入射基频光光强、晶体厚度、非线性相位 调制、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形以 及光谱分布的影响。首次在国内针对脉冲宽度l o o t s 、带宽2 5 n m 、能量为6 m j 左右的超短脉冲基频光，采用单块b b o 晶体进行了三倍频实验研究，获得了接 近1 的三倍频转换效率。 由于超短脉冲紫外光不仅可作为探针光使用，而且，高强度紫外超短激光 作为i c f “快点火”的点火驱动器具有独特优势，因此，对高强度飞秒脉冲激 光频率转换的研究具有重要意义。 4 ) 频率转换过程的逆问题研究 首次提出了解决频率转换过程逆问题的数值计算方法。该算法基于分步傅 立叶变换和四阶r k 法，通过迭代计算，可在已知输出三倍频光以及谐波转 换器参数的情况下，计算得到相应的输入基频光参数。分别针对空间光强分布 为高斯、超高斯形状、时间分布为整形脉冲的平面波、有一定空间位相调制的 窄带三倍频、有一定时间位相调制及线性频率啁啾的宽带三倍频以及飞秒脉冲 二倍频的逆问题进行了数值计算。迭代计算的效率较高并且结果较为准确。 频率转换过程逆问题数值计算方法的提出，为i c f 系统频率转换过程的优 儿 化设计提供一种新的思路和途径。 5 ) 靶场系统中的非线性效应研究 采用m a x w e l l b l o c h l a n g e v i n 方程来描述强激光的受激拉曼散射效应。针 对强激光在空气中长程传输时所产生的受激旋转拉曼散射( s r r s ) 效应，分析了 基频及三倍频泵浦光的光强调制、位相调制以及带宽等因素对阈值条件及光束 质量的影响，提出了抑制s r r s 效应的方法。同时，针对大口径k d p 晶体中三 倍频光的横向受激拉曼散射( t s r s ) 效应，分别讨论了短脉冲( i n s ) 及长脉冲( 3 n s ) 条件下，泵浦光光强、增益系数及带宽对斯托克斯光转换的影响。 运用修正的非线性薛定谔方程，针对熔石英介质中强紫外激光自聚焦的强 弱、位置与强紫外激光光强调制和位相畸变的关系开展了定量分析，对熔石英 介质中强紫外激光产生非线性自聚焦效应的阈值条件定义做了补充。此外，结 合实验过程中的实际情况，对靶室的石英窗口及打靶的聚伟透镜出现的破坏现 象，采用自聚焦原理进行了分析，并提出了避免产生破坏的方法。 对靶场系统中非线性效应的研究，有利于改善三倍频光光束质量、减小高 强度激光对靶场光学元件的破坏风险，具有重要的意义。 6 ) 宽带倍频光的光束匀滑及聚焦特性的研究 对光束匀滑方法进行了总结和比较，针对时间位相调制宽带激光以及啁啾 脉冲宽带激光，对采用角谱色散束匀滑( s s d ) 方案进行了数值模拟和讨论。 靶面均匀辐照是实现i c f 必不可少的条件，还有利于提高靶丸压缩比，从 而降低对激光能量的要求。对宽带倍频光的光束匀滑及聚焦特性的研究，可为 实现靶面均匀辐照提供参考。 关键词：宽带激光、频率转换、非线性效应、时间位相调制、飞秒脉冲、逆问 题、受激拉曼散射、自聚焦、光束匀滑 本文的工作得到国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) 、l 四) l l 省青年科技基金项目 ( 0 5 z q 0 2 6 0 1 3 ) 、教育部新世纪优秀人才计划( n c e t - 0 5 0 7 8 4 ) 及中国工程物理 研究院超强超短脉冲激光应用基础研究实验室开放课题( c d 2 0 0 5 0 8 ) 的资助。 i s t u d yo nt h ep r o p e r t i e so ft h eh a r m o n i c g e n e r a t i o na n dt h ep r o p a g a t i o no fh i g hp o w e r l a s e r i nt h ef i n a lo p t i c a ls y s t e m m a j o r ：o p t i c s s t u d e n t ：l ik u n a d v i s o r ：p r o f z h a n gb i n 1 1 1 es t u d yo nt h ep r o p e r t i e so ft h eh a z m o m cg e n e r a t i o na n dt h ep r o p a g a t i o no f t h eb r o a d b a n dl a s e ri nt h ef i n a lo p t i c a ls y s t e mi so n eo f t h ei m p o r t a n tc o n t e n t si nt h e r e s e a r c ho fi n e r t i a lc o n f i n e df u s i o n ( i c f ) d e t a i l e da n ds y s t e m a t i c a ls t u d i e so nt h e a b o v em e n t i o n e da s p e c t sa l ec a r r i e do ni n t h i st h e s i s n 忙m a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s 1 ) e s t a b l i s h m e n to ft h ep h y s i c a lm o d e lf o rh a r m o m cg e n e r a t i o no f h i g h - i n t e n s i t yl a s e ra n dd e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o d ew i t hv i s u a l i n t e r f a c e n e p h y s i c a lm o d e lf o rh a n n o m cg e n e r a t i o no f h i g h i n t e n s i t yl a s e rw a sb u i l tu p ， w h i c hi n c l u d e dt h ee f f e c to ft h ep a r a x i a ld i f f r a c t i o n , t h e s p a t i a la n dt e m p o r a l w a l k - o f f , t h et h i r d o r d e r l l l i n e 盯e f f e c ti n c l u d i n gt h es e l f - a n dc r o s s - p h a s e m o d u l a t i o n , t h ea m p l i t u d ea n dt h ep h a s eo ft h ei i l p u tf u n d a m e n t a lf i e l d ，t h e a b s o r p t i o n a n dt h er e f l e c t i o no ft h eh a r m o m cg e n e r a t i o n c r y s t a l s e t c 1 r i 圮 c o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o d ew i t hv i s u a li n t e r f a c ew a sd e v e l o p e da n d v e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h el a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ( l l n l ) ，s h o w i n gt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo u r c o d e t h ed e v e l o p m e n to fo u rc o d ep r o “d c sac o n v e n i e n ta n dr e l i a b l ep l a t f o r mf o r t h ea n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h eo p t i m i z i n go ft h es c h e m e so f h a r m o n i c g e n e r a t i o ne x p e r i m e n t o u r c o d eh a sb e e nu s e dt o a n a l y s i s t h e i v e x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e d 1 1 1c e p aa n dt h en u m e r i c a lr e s u l t sa c h i e v e d g o o d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s 2 ) s t u d y o nt h eh a r m o n i c g e n e r a t i o no ft h e n a n o s e c o n d h j 【g h - i n t e n s i t y b r o a d b a n dl a s e r 1 1 坞f a c t o r s w h i c ha f f e c t e dt h es p e c t r u ma n dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h e b r o a d b a n dt h i r dh a r m o n i cf i e l dw i t hc a s c a d e dc r y s t a l so f t y p ei i i i i ，w e r ea n a l y z e d an e ws c h e m e 、析出c a s c a d e dc r y s t a l so f t y p ei i i iw a sp r o p o s e da n do p t i m i z e d , a n d t h ee f f e c t so ft h ei n t e n s i t ya n dt h eb a n d w i d t ho ft h ei n p u tf u n d a m e n t a lf i e l do nt h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw e r ed i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo ft h eb r o a d b a n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n 、析t l it h e t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yo fa n g u l a rs p e c t r u m d i s p e r s i o nw a s a n a l y z e da n dt h el i m i t a t i o no ft h et e c h n o l o g yw a sp o i n t e do u t a ni m p r o v e da n d s i m p l e rm e t h o do f n o n - c o u i n e a ra n g u l a rs p e c t r u md i s p e r s i o n , w h i c hi ss u i t a b l ef o r t h el a r g e rb a n d w i d t h , w a sp r e s e n t e da n do p t i m i z e d t h en a n o s e c o n dh i g h - i n t e n s i t yb r o a d b a n dl a s e ri st h e b a s i so ft h eb e a m s m o o t h i n gt e c h n o l o g y i n t e m p o r a ld o m a i n m o r e o v e r , b r o a d b a n d l a s e rh a s a d v a n t a g e si nc o n l r o l l i n gt h eh a r m f u ln o n l i n e a re f f e c t s ，a v o i d i n gt h ed a m a g eo ft h e o p t i c a le l e m e n t sw i t hl a r g ea p e r t u r ea n di m p r o v i n g t h eu n i f o r m i t yo ft h el a s e rb e a m t h e r e f o r e ，s t u d i e so nt h eh a r m o n i cc o n v e r s i o no ft h en a n o s e c o n dh i g h i n t e n s i t y b r o a d b a n dl a s e ra r eo f g r e a ti m p o r t a n c ei nt h ei c fr e s e a r c h 3 ) s t u d y o nt h eh a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h ef e m t o s e c o n dh i g h - i n t e n s i t y b r o a d b a n dl a s e r t h es e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o no fh i g h - i n t e n s i t yf e m t o s e c o n db r o a d b a n dl a s e r w i t hat y p eik d pc r y s t a lo ra t y p ei ik d pc r y s t a lw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e e x p e r i m e n to ft h es e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rw i t ht h e c e n t e rw a v e l e n g t ho f8 0 0 n m ，t h ep u l s ew i d t h ( f w h m ) o f3 0 f sa n dt h ep u l s ee n e r g y o f3 0 - 1 5 0 m jb yu s i n gat y p eik d pc r y s t a lw i t ht h et h i c k n e s so fl m mw a sc a r r i e d o u tf o rt h ef i r s tt i m ei nc h i n a t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f a b o u t1 0 w a sa c h i e y e d n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n dt h ee f f e c t so ft h ei n i t i a lf r e q u e n c yc h i r p a n dt h em o d u l a t i o n so ft h ei n t e n s i t ya n dt h ep h a s eo ft h ef u n d a m e n t a lf i e l d ，a sw e l l a st h e t h i r d - o r d e rn o r d i n e a re f f e c to nt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h eb a n d w i d t ho f v t h es e c o n dh a r m o n i cf i e l dw e r ed i s c u s s e d c o n s e q u e n t l y , t h em e t h o dt oi m p r o v et h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h eb a n d w i d t ho f t h es e c o n dh a r m o n i cf i e l dw a sp r o p o s e d t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h et h i r dh a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h e h i g h - i n t e n s i t y f e m t o s e c o n dl a s e r 丽t i las i n g l eb b oc r y s t a lw e r ec a r r i e do u t c o m p a r i s o no f t h e t l = l i r d - o r d e re f f e c ta n dt h ec a s c a d e ds e c o n d - o r d e re f f e c ti nt h et h i r d h a r m o n i cg e n e r a t i o nw a sm a d e me f f e c t so ft h ei n t e n s i t yo ft h ef u n d a m e n t a lf i e l d 。 t h et h i c k n e s so ft h ec r y s t a l ，t h en o n l i n e a rp h a s em o d u l a t i o n , t h et e m p o r a lw a l k - o i f , t h ed e t u n c da n g l ea n dt h ea z i m u t ha n g l eo nt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , t h ep u l s es h a p e a n dt h es p e c t r u mw a r ed i s c u s s e d t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e df o r t h ef e m t o s e c o n dl a s e r 、v i t l lc e n t e rw a v e l e n g t ho f8 0 0 r i m , t h ep u l s ew i d t h ( f w h m ) o f l o o f s ，t h eb a n d w i d t hi s2 5 n ma n dt h ep u l s ee n e r g yo fa b o u t6 n db yu s i n gas i n g l e b b oc r y s t a l t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f n e a r l y1 w a sa c h i e v e d b e c a u s et h eu l t r a - s h o r tu vl a s e rc a nb eu s e da st h ep r o b el i g h ta n dh a s d i s t i n c t i v ea d v a n t a g e si n “f a s t - i g n i t i o n i ni c f , s t u d i e so nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n o f t h eh i g h - i n t e n s i t yf e m t o s e c o n dl a s e ra r ev e r yi m p o r t a n t 4 ) s t u d yo nt h ei n v e r s ep r o b l e mo f h a r m o n i cg e n e r a t i o n am e t h o df o rs o l v i n gt h ei n v e r s ep r o b l e mo f h a r m o n i cg e n e r a t i o nw a sp r o p o s e d f o rt h e f a s tt i m eb a s e do nt h e s p l i t f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n , t h ef o r t h - o r d e r r u n g e k u t t a m e t h o da n dt h ei t e r a t i v e m e t h o d ，n a m e l y , t od e t e r m i n et h e c h a r a c t e r i z a t i o no fi n p u tf u n d a m e n t a lf i e l da n dt h er e q u i r e m e n tf o rk d pf r o mt h e r e q u i r e dc h a r a c t e r i z a t i o no fo u t p u tt r i p l i n g f i e l d 1 1 1 ei n v e r s ep r o b l e m so ft h i r d h a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h en a r r o w b a n dl a s e ra n dt h eb r o a d b a n dl a s e r , a n do ft h e s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rw e r es t u d i e d n 圮c a l c u l a t i o n e f f i c i e n c yo f t h ei t e r a t i o nm e t h o da n dt h ea c c u r a c yo f t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r eb o t h h i 曲 n l ep r o p o s e dm e t h o df o rs o l v i n gt h ei n v e r s ep r o b l e mo fh a r m o n i cg e n e r a t i o n p r o v i d e sa n e ww a yo f o p t i m i z i n gt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o np r o c e s s 5 ) s t u d yo nt h en o n l i n e a re f f e c t si nt h ef i n a lo p t i c a ls y s t e m b a s e do nt h em a x w e l l b l o c h - l a n g e v i ne q u a t i o n s ，t h es t i m u l a t e dr o t a t i o n a l r a m a ns c a t t e r i n g ( s r r s ) o ft h eh i g h i n t e n s i t yl a s e ri nl o n ga i rp a t hw a sd i s c u s s e d v i 1 1 l ee f f e c t so ft h em o d u l a t i o n so ft h ei n t e n s i t ya n dt h ep h a s ea n dt h eb a n d 埘d t ho f t h ef u n d a m e n t a la n dt h et h i r d 珈 m o n i cp u m pf i e l d so nt h et h r e s h o l dc o n d i t i o no f s r r se f f e c ta n dt h eb e a mq u a l i t yo fl a s e rw e r ea n a l y z e d c o n s e q u e n t l y , t h em e t h o d s f o rc o n t r o l l i n gt h es r r se f f e c tw e - ) r c p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h ew d n $ v c r s e s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( r s r s ) i nk d pc r y s t a lw i t hl a r g ea p e r t u r ew a sa l s o s t u d i e d t h ee 在b c t so ft h ei n t e n s i t y , t h eg a i nc o e f f i c i e n ta n dt h eb a n d w i d t ho ft h e p u m pf i e l dw i t ht h ep u l s ew i d t ho fl u sa n d3 n so nt h ec o n v e r s i o no f t h es t o k e sf i e l d w e l ed i s c u s s e d b a s e do nt h em o d i f i e dn o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w nt h ei n t e n s i t ya n dt h el o c a t i o no f t h es e l f - f o c u s i n ga n dt h em o d u l a t i o n so f t h e i n t e n s i t ya n dt h ep h a s eo ft h eh i g h - i n t e u s i t yu l t r a v i o l e tl a s e ri nf u s e ds i l i c aw a s a n a l y t 脚q u a n t i t a t i v e l y t h ed e f i n i t i o no f t h et h r e s h o l dc o n d i t i o no f t h es e l f - f o c u s i n g e f f e c tf o ru l l z a v i o l e tl a s e rw a ss u p p l e m e n t e d t h et h e o r yo ft h es e l f - f o c u s i n g 唧 u s e dt oe x p l a i nt h ed a m a g eo ft h es i l i c aw i n d o wa n dt h ef o c u s i n gl e n si nt h et a r g e t c h a m b e ri nt h ee x p e r i m e n t , a n dt h es o l u t i o nw a sa l s op r e s e n t e d t h es t u d yo nt h en o n l i n e a re f f e c t si nt h ef i n a lo p t i c a ls y s t e mh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gb e a mq u a l i t ya n dd i m i n i s h i n gt h ed a m a g er i s ko ft h e o p t i c a lc o m p o n e n t si nt h ef n m lo p t i c a ls y s t e m 6 1s t u d yo nt h eb e a ms m o o t h i n ga n dt h ef o c u s i n gp r o p e r t i e so ft h eb r o a d b a n d h a r m o n i cf i e l d t h eb e a ms m o o t h i n gt e c h n i q u e sw e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n so fs m o o t h i n gm e t h o df o rt h eb r o a d b a n dl a s e rw i t ht e m p o r a lp h a s e m o d u l a t i o na n df r e q u e n c yc h i r pb yu s i n gs p e c t r u md i s p e r s i o nw e r ec a r r i e do u ta n d a n a l y z e d u i l i f o r m e di r r a d i a t i o no nt h et a r g e ti sa ne s s e n t i a lc o n d i t i o nt or e a l i z e 也ei c f i g n i t i o na n dh a sa d v a n t a g e si ni n c r e a s i n gt h ec o m p r e s s r a t i oo ft h et a r g e ta n d d e c r e a s i n gt h er e q u i r e m e n to f l a s e re n e r g y 1 1 1 es t u d yo nt h eb e a m s m o o t h i n ga n dt h e f o c u s i n gp r o p e r t i e so ft h eb r o a d b a n dh a r m o n i cf i e l dc a np r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c e t ot h ee x p e r i m e n t v n k e yw o r d s ：b r o a d b a n dl a s e r , h 脚 m o n i cg e n e r a t i o n , n o n l i n e a re f f e c t , t e m p o r a lp h a s e m o d u l a t i o n , f e m t o s e c o n dp u l s e ，i n v e r s ep r o b l e m , s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g , s e l f - f o c u s i n g ，b e a ms m o o t h i n g t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i t e e h8 6 3p r o j e c t ( n o 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) t h ey o u t hs c i e n c ef o u n d a t i o no fs i c h u a np r o v i n c e ( n o 0 5 z q 0 2 6 1 3 ) ，t h ep r o g r a m f o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( n o n c e t 0 5 0 7 8 4 ) a n dt h eo p e n p r o j e c to ft h eh i g h - i n t e n s i t yu l t r a - s h o r tl a i ro ft h ea p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nr e s e a r c h l a b o r a t o r yi nc e p a ( n o c d 2 0 0 5 0 8 ) v 1 1 1 第一章引言 1 1 惯性约束聚变( i c f ) 驱动系统简介 i 1 1 惯性约束聚变简介 利用受控核聚变产生聚变能是获取新能源的一个主要途径。氢的同位素氘 和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为聚变： d + t 专h e 4 + n + 1 7 6 m e v 。d t 聚变反应中所需的的氘，可用d d 聚变反 应产生( d + d = t + h + 4 0 m e v ) ，也可用核裂变产生的中子轰击锂一6 产生。 氘和锂在海水中的蕴藏量极其丰富，如果能在人工可控条件下实现聚交反应， 则可以提供几乎用之不竭的能源。 然而，聚变反应所要求的条件极为苛刻【1 l ，1 2 1 ：d - - t 聚变反应的点火温度 为5 k e y ，在点火温度以上，核反应才能得以自持进行。由核反应的平衡条件( 聚 变反应产生的核能等于燃料加热到聚变温度所需的热能，即增益为1 ) ，可得到 著名的l a w s o n 判据：n z = 以其中，为参与反应的粒子密度，f 为约束时间， f 为随温度而定的量) ，对于1 亿度聚变温度，f = 1 0 1 4 s c m 3 。对于半径为l m m 的球靶，所需的激光能量e = i m j 。由此可见，要得到能量增益，必须提高f 。 一种方法是增长等离子体约束时间，这需要增大靶丸的半径，但这会导致加热 等离子体所需的能量按半径的三次方增加，这在目前是十分困难的。另一种方 法是提高等离子体的核子体密度，反应速度按核子数密度的平方增加，在同样 的约束时间内，聚变反应释放的能量也按密度的平方增加，因此，这是一种可 行的办法。 为了实现聚变点火的条件，人们设计了许多种方案，经过近五十年的探索 研究，逐步形成了两类主要的实验途径t 1 q ，即磁约束核聚变( m a g n e t i c c o n f i n e m e n tf u s i o n , m c f ) 和惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n , i c f ) 。 m c f 是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使之达到l a w s o n 判据( 即受控核聚变条件) ，实现聚变反应。i c f 是利用高功率的激光束或粒子束 均匀照射用聚变材料制成的微型靶丸，在极短的时间内迅速加热压缩聚变材料 使之达到极高的温度和密度，在其膨胀解体以前达到聚变反应条件、产生热核 聚变。i c f 的驱动器和反应器是分离的，因而相对来说结构较为简单。 第一章引言 惯性约束聚变主要分为四个阶段，如图1 1 1 所示【1 3 】：( a ) 激光辐射：强激 光束快速加热氘氚靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层：( b ) 内爆压缩：靶丸表 面热物质向外喷发，反向压缩燃料；( c ) 聚变点火：通过向心聚爆过程，氘氚核 燃料达到高温、高密度状态；( d ) 聚变燃烧：热核燃烧在被压缩燃料内部曼延， 产生数倍的能量增益，大量的聚变能输出。这种方案为中心点火方案。 i a w i _ 瞻“i q v i - q i i i * _ o m - q 岫u n _ d t ( a ) ( b )( c ) 图1 1 1 惯性约束聚变过程的四个阶段 ”d 口i v l i n m ( d ) ”船徽：= ，畸。“。“黜船恺篇= = 等盎譬熘。 d 岫h i c 咐r i d 1 岫1 图1 1 2 直接驱动方式及间接驱动方式示意固 为了实现中心点火，发展出了以下两种驱动方式【1 4 】：1 ) 直接驱动；激光束 直接照射氘氚靶丸表面，如图1 1 2 ( a ) 所示。这种方式具有较高的效率，但为了 达到高倍的压缩要求驱动光束在瓤立体角内均匀照射靶面；2 ) 间接驱动：采 用激光束照射高原子序数元素制成的靶腔，从而可将光束能量的7 0 8 0 转 化为x 光辐射，x 光经输运热化后再加热氘氚靶丸