（等离子体物理专业论文）紫外激光入射腔靶的raman散射.pdf

摘要 受激r a m a n 散射( s r s ) 作为激光等离子体物理中的一种重要现象，对惯性约束聚 变有重要的影响。作为激光聚变中的一种重要反常吸收机制，它散射入射激光的能量， 降低激光等离子体耦合效率：其子波一电子等离子体波由于具有较高的相速度，通过 l a n d a u 阻尼会产生长射程的超热电子，这种超热电子能在主激光脉冲到达之前预热靶 丸，极大地抑制了靶丸的有效压缩比，从而严重妨碍了高增益聚变的实现。作为晕区中 的一种主要参量不稳定性过程，它必然与等离子体的状态密切相关，因此很早它就被用 来诊断等离子体的基本参量，如温度和密度。总之，对它的细致研究不仅加深了人们对 激光等离子体的认识，更有益于激光聚变工程的合理实现。 本论文的实验研究是在上海的“神光”激光装置上进行的。“神光i i ”是我国目前 输出功率最高的钕玻璃激光聚变实验装置，已经具有基频( 1 ，0 5 3 # m ) 、二倍频、三倍频 和四倍频的输出能力。我们的实验通常是在八路激光以2 6 0 j 0 3 5 l # r r d l s 参数一起聚心 入射a u 柱腔靶上进行的。单路激光的功率密度随着离焦量的不同而变动，实验中离焦 4 0 0 f f m 下的典型功率密度约为7 1 0 “w c m 2 ，聚焦时的典型功率密度为1 1 0 ”w l c m 2 。 本论文研究的s r s 数据是在以2 0 0 1 年下半年的a u 腔靶实验中得到的。实验中通过变化 激光入射条件和靶型参数，我们系统地测量各种条件下的受激r a m a n 散射的时间积分 谱、时间分辨谱、第一、二路激光的能量角分布和各路激光的背向s r s 能量。由于在 s r s 谱测量中记录系统缺乏绝对能量定标，我们对受激r a m a n 散射的研究主要集中在 s r s 谱的产生机制、s r s 的产生时间和s r s 的份额三个方面；作为实验数据分析的基础， 我们还在几种主要的受激r a m a n 散射模型下模拟了实验条件下受激r a m a n 散射的性质。 通过实验数据分析，本论文得到的主要结论如下： 1 实验中s r s 发生的光强明显低于经典的对流s r s 理论预言阂值f 如0 1 n 。密度面 i t h = 3 1 0 t 5 w c m 2 ) 和大腔靶实验中的s r s 谱呈现离散闪烁特征表明经典的对流s r s 理论 很难解释实验中测得的s r s 现象。实验中的s r s 份额较小( ( 2 1 0 0 l 【t m ) i sa l lo r d e rb e l o wt h o s ef r o mt h es t a n d a r d ( 8 0 0 1 4 0 0 # m ) a n ds m a l l ( 6 0 0 5 0 0 # m ) h o h l r a u r n t h ed e v e l o p m e n to fs r si s s e n s i t i v e l y d e p e n d e n t o nt h es i z eo fh o h l r a u m 5 b a s e du p o nas i m p l em o d e lo ft h ec o u p l i n go ff i l a m e n t sa n ds r s ，w ed e v e l o pt h e m e t h o do f d i a g n o s i n gp l a s m ad e n s i t yw i t hs r ss p e c t r u m ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e no u rm o d e l a n dc o n v e c t i v es r st h e o r yi sl e s st h a n 1 0 ，a n da g r e e sw i t ht h ec o n c l u s i o nm a d eb y a f s h a r - r a d 6 ，t h es r sf r a c t i o ni no u re x p e r i m e n ti sl e s st h a n3 ，w h i l ei tc a l lr e a c hu dt o8 i n s h e n g u a n g 1w i t h 1 0 5 3 # m i n c i d e n tl a s e r p u l s e t h i sd i f f e r e n c ec l e a r l ys h o w st h a tt h e a p p l i c a t i o no f s h o r t e rw a v e l e n g t h l a s e re f f e c t i v e l y s u p p r e s s e st h es r si n s t a b i l i t y 作者简介 王哲斌，男，1 9 7 8 年4 月t 6 日出生于湖南省株洲市。1 9 9 6 年考入中国科学技 术大学近代物理系，1 9 9 9 年进入非线性等离子体物理实验室，2 0 0 0 年完成本科论 文潘宁放电等离子体光学诊断，2 0 0 3 年完成硕士论文紫外激光入射腔靶的受 激r a m a n 散射。 致谢 三十年来寻刀剑，几回落时又抽枝! 时间过得真快。五年前为了进实验室，我在三教学楼下面怀着梦想咨询刘万东教 授的场景还历历在目，如今已经硕士毕业了! 梦想没有变什么，但是寻梦的途径已 经发生了很大的改变。 非常幸运能进入非线性等离子体物理实验室，这里的老师对科研的认真、执着和 热爱常常让我从繁杂的研究工作中振奋起来：如果把工作当作自己的兴趣，生活不 再单调。刘万东教授是我的本科和硕士阶段的导师，他对科学的认真时刻提醒着我 在实验研究中一定要实事求是，在指导我解决问题的时候探寻直观物理图象的思路 常常让人豁然开朗。俞昌旋教授的渊博知识和严谨的作风让我钦佩不已，在我的论 文指导中，他高屋建瓴的建议大大开阔了我的眼界。本文要特别感谢郑坚副教授。 在论文的方向、实验数据的处理、实验结果的分析等方面，郑老师提供了大量宝贵 的意见。郑老师思路开阔，思维活跃，极富创新意识，在论文期闻的许多困难阶段， 都是在他的指导下才找到了切实有效的方法。在论文初稿完成之后，他又逐字逐句 地进行了多次修改。可以说如果没有郑老婕的帮助，我的论文达到现在的水平是不 可想象的。在此，本人要向他表示最衷心的感谢。另外要感谢实验室的其他成员， 同他们在一起时光非常愉快。 作者特别感谢中国工程物理研究院的郑志坚研究员。他帮我选的s r s 方向让我 领略到了激光等离子体物理中的诸多美妙现象。他在繁重的科研和行政工作之余， 给我的指导和帮助以及他对国家事业的献身精神让我受益匪浅。在九院工作期间， 作者是在蒋小华导师和刘慎业研究员的具体指导下完成实验工作的。蒋老师和刘老 师的实验指导和物理帮助使得我能够迅速进入s r $ 研究领域并掌握相关的实验技 能。作者还要感谢光学组的李文洪研究员、张海鹰、刘永刚、汤晓青与彭晓世，与 他们在一起的日子非常快乐，实验的顺利完成也离不开他们的无私帮助和密切配合。 感谢八所一部的领导丁永坤研究员、刘慎业研究员、谷渝秋研究员、江少恩研究员 和杨国洪研究员在生活工作方面给予作者的指导和关怀，他们的支持保障了本论文 的完成。感谢同办公室的刘忠礼研究员、陈家斌研究员和唐昶环的热情指教。感谢 彭能岭、蔡达峰、黄翼翔、陈铭等人，我在绵阳的日子里因他们而多姿多彩。感谢 八所制靶组和神光1 i 运行组不辞辛苦的劳累，他们的艰辛工作为实验提供了必需的 平台。最后祝福所有在实验中帮助过我的人。 感谢9 6 0 4 众多兄弟的鼓励和安慰。于治、郗传英、王科、刘杨和吴玉祥在我远 离学校期间帮我处理了许多校内事务：同叶震宇、陆荣华、王俊、王舸、宋法伦等 人的讨论也富有成效。特别感谢刘占军，他的建议和帮助大大推动了我的论文工作。 父母的养育之恩和姐姐的鼓励关怀是我前进的动力源泉，它们如同天上的月亮， 无论我得意、彷徨，永远地、静静地帮我驱除黑暗。 刀剑如梦，时光如梭! 谨立l “ 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 。 第一章引言 1 1 聚变简介 1 。1 1 聚交能一通往天堂的门票 能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资 资源；经济、能源与环境的协调发展己被公认为是未来传承人类文明的基本模式。 当今人类能源结构仍然以次性的化石能源为主，其中煤炭、石油、天然气占的比 例分别为6 8 ，1 7 ，1 5 。根据国际上通行的能源预测，石油将在4 0 年时间内枯竭， 天然气将在6 0 年内用光，煤炭也只能用2 2 0 年。另外人们也意识到，正是这些化 石能源的大量开发和使用，是造成大气和其他多种类型环境污染与生态破坏的主要 原因之一。因此，寻找廉价、清洁、丰富的能源已经成为一个全球性的重大课题。 太阳能、风能、水能等资源虽然清洁、可再生但无法满足人类目益庞大的能源 需求；裂变能虽然效益巨大，但是受限于地球上稀少的核燃料，更受限于其可怕的 放射性一如世界级难题，裂变后放射性废料的处理；或裂变电站无意或人为的失控 所造成的轻如前苏联切尔诺贝利核电站的核泄漏，重如广岛原子弹爆炸式的后果 使人类在大规模利用裂变能面前踌躇不前。 聚变能与裂变能同属于核能的一种，但它以低原子序数材料一氢的同位素氘氚 为燃料，靠聚变反应释放能量。氘是天然同位素，在海水中存量极大，地球上海水 中蕴藏的氘所能供给的聚变能量高达1 0 2 4 度，以目前世界能源消耗速度，足够人类 使用几百亿年，那时太阳已经熄灭，因此地球上聚变能可说无限。聚变能燃料价格 低廉。聚变核电站是一次性投资，燃料费用约占l 左右，与裂交核电站相比，聚 变核电站的燃料几乎是不花什么钱的。它更大的优点还在于不污染环境，运行安全 可靠。聚变与裂变相比，其放射性是微乎其微的，它甚至消化裂变的污染源，几乎 没有废料；可直接转化成电能。 因此，严谨的科学家认为聚变能是人类最理想的能源；而煽情的社会学家则认 为聚变能是上帝送给人类通往天堂的门票。 l _ 1 2 通往天堂的道路一实现聚变的途径 聚变是两个轻核子结合成中z 核，同时释放大量能量韵过程。聚变反应释放的 总能量由著名的质能方程决定，其中e ，a ，c 分射是聚交释放的能量，质量亏损和 光速。 e ；a m o c 2 ( 1 1 ) 2紫外激光入射腔靶的受激r a m a n 散射王哲斌 为了发生聚变，首先要求原子核有足够高的动能( 足够高的温度) 。原子序数 越小，核电荷数越少，两个轻核越容易克服库仑势垒，发生聚变反应。常用的聚变 材料以氢、氦及其同位素为主。下表是常见的几种聚变反应： 表l - 1 几种常见的聚变反应1 1 带电粒子的能量 反应方程释放的能量( m e v )能量密度( j g ) ( m e v ) l d 2 十i d 2 。2 h e 3 + n 3 2 7o 8 22 9 6 1 0 1 0 扩+ i d 2 l t 3 + n 。 4 0 44 0 4i 4 6 1 0 “ t d 2 + 【t 3 一z h e 4 + n 1 1 7 5 83 5 23 3 9 1 0 ” i d 2 + 2 h e 3 - 2 h e 4 + 】h 。 1 8 3 41 8 3 43 5 3 1 0 “ 其中离子温度在2 0 k e v 时，d t 反应具有最大速率，由于t 具有反射性，天然 储量极小，实际主要靠d d 反应道得到。 另外，聚变的发生还要求高温的离子以适当的密度维持一定的时间，这可以通 过劳森判据2 1 表示： n f 1 0 “( s l c m 3 ) ( 1 2 ) 其中f 4 ，r 分别代表聚变离子的数密度和约束时间。显然要满足该条件，实现聚变， 一种方法是将离子数长时间维持在中等密度，另一种是在较短时间内将离子数维持 在一个相当高的密度。当今国际聚变研究同时沿着这两条道路前进【3 】，按离子约束 的方法，前者称为磁约束聚变( m c f ) ，后者称为惯性约束聚变( i c f ) 。 磁约束聚变采用磁场约束等离子体，将其加热到足够高的温度，并维持一定的 时问。在过去半个世纪，尽管道路曲折但入们仍然取得了很大的进展。1 9 9 7 年， 在欧洲联合核聚变实验装置( j e t ) 中里成功的产生了1 6 m w ( 1 帅= 1 0 6 w ) 功率，这么大 的功率不仅可以满足一个城镇的用电，更重新激发起了入们利用磁约束实现聚变的 激情，尽管它的产耗比仅l ：2 。如今，全世界的磁约束研究者都把目光投向世界上 第一个燃烧的等离子体装置一国际热核试验反应堆( i t e r ) 的建设上。这个耗资3 0 亿英镑，设计产耗比1 0 ：1 ，并有中国参与的国际大工程，也许真能让已经拿着门 票的人类找到一条通往天堂的道路。 惯性约束聚变( i c f ) 用粒子束或激光束直接照射装有d t 燃料的微球，或照射 高z 材料产生x 光，然后x 光照射d t 微球：激光能量或粒子束能量在极短时间内 沉积在靶球上，外层物质受热迅速向外膨胀，由于动量守恒使得靶丸内的d t 燃料 向内压缩，形成高温高密等离子体，达到劳森判据，发生聚变反应 4 。1 ”。 要使d t 靶丸在极短的时间内被压缩成高温( 几个k e y ) 高密( 约1 0 0 0 倍液态 d t 燃料密度) 状态显然需要功率极大驱动源。在人类第一台激光器问世不久，前 苏联科学家、n o b e l 获得者b a s o v 院士于1 9 6 3 年和我国的王淦昌院士于1 9 6 4 年先 后独立地提出用高功率激光实现聚变的设想，即激光聚变。 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 3 1 1 3 激光聚变 按照对靶丸驱动方式的不同，激光聚变可以分为直接驱动和间接驱动两种，如 图1 1 所示a 图1 1 激光聚变驱动方式 间接驱动的过程可大致分为五个阶段：激光入射腔靶内表面，激光前沿使材料 离化形成等离子体( 产生等离子体) ，激光在等离子体中传播和吸收( 激光等离 子体耦合) ，热等离子体向外辐射x 光，x 光场辐照到充有d t 燃料的靶丸外表面 ( 辐射场烧蚀) ，靶丸表面材料被烧蚀向外喷射，其反作用力形成向内冲击波压 缩靶丸( 聚芯压缩) + 靶丸中心形成热斑，满足劳森判据，点火燃烧( 热核燃烧) 。 直接驱动的过程是：激光直接打在低z 材料靶丸上，在上面烧蚀形成等离子体 ，激光能量先是沉积在高温低密的等离子体晕区，再通过电子热传导等输运过程 向高密度等离子体区传播烧蚀靶丸表面材料，聚芯压缩，热核燃烧。 驱动器、理论、实验、诊断技术和制靶是激光聚变研究工作中的五个主要方面。 激光聚变的研究与激光驱动器技术的发展是紧密联系在一起的。早期的c 0 ：激 光器其输出波长长，与靶物质作用产生的超热电子严重，现在基本不用；如今研究 用的激光器主要是n d 玻璃固体激光器，它的成本相对较低，适合于大规模生产， 但是它的效率和重复率低；e r f 激光器和半导体激光器泵浦的n d 激光器重复率和 效率很高，是一种新型的潜在驱动器。技术的发展使得激光器单位能量造价降低， 单元性能提升，最终保证了激光聚变研究的持续深入开展。总的说来各主要国家的 驱动器都在向短波长、高能方向发展，如美国为实现i c f 点火而建造的“国家点火 装置”( n i f ) ，中国的“神光i i i ”等等。 对激光聚变中产生的等离子体进行诊断是i c f 中不可遛避的重要领域。它对于 研究激光等离子体相互作用、校验模拟程序以及驱动器和靶型的设计等方面都具有 重要意义。激光等离子体诊断技术的改进和发展也一直是聚变实验中的一个重要方 面。 激光聚变中的理论和实验为众多学科的交叉结合提供了一个广泛平台“2 1 。本论 文研究的受激r a m a n 散射是激光等离子体中晕区的一种基本参量不稳定性，在整个 晕区中还存在许多其它的物理过程，这些过程以激光等离子体为媒介相互影响。为 了方便本论文工作的阐述。我们在下一节对激光等离予体晕区做一个简单介绍。 4紫外激光入射腔靶的受激r a m a n 散射王哲斌 1 2 激光等离子体简介 1 2 1 激光等离子体的基本参数 等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的宏观体系。同固态、 气态、液态一样，它构成了物质的另外一种聚集态，称之为第四态。事实上就整个 宇宙而言，绝大多数物质都是处于等离子体态，它的参数空间与其他三态相比非常 之广：密度从1 0 3 m 3 变化到1 0 3 3m 一，温度从1 0 2 k 变化到1 0 9 k 。我们惯性约束聚 变中的等离子体密度n 约在1 0 ”i r r 3 量级，而温度约在1 0 8 k 量级。 一个物质要处于等离子体态，它至少要符合三个判据1 1 3 ，”1 ： ( 1 ) l( 2 ) n d 1( 3 ) v 。m a x ( v e e ，0 2 , 。) ( 1 3 ) 其中五。即著名的德拜长度，它衡量了等离子体中最重要的性质一集体行为的空间 尺度，定义为： k 。皇f 警1 ”，垒( 2 + 磕z * k ( a ) 判据( 1 ) 表示等离子体要对外呈现集体作用的性质，其宏观尺度l 至少要大于该作 用的特征尺度。0 叁n ；弼代表的是一个半径为如德拜球中的粒子数，判据( 2 ) 表示只有粒子数足够大时德拜屏蔽在统计上才是一个正确的概念。带电粒子与中性 粒子相互作用以叱表征，而带电粒子之间相互作用则可以分成两体的库仑碰撞和 集体相互作用两部分t 分别用，曲。表征，判据( 3 ) 表示只有中性粒子影响小，体 系才对外呈现等离子体特征。 激光等离子体是激光与物质相互作用的产物( 1 5 j 。在激光聚变中，当激光入射到 靶物质时，激光前沿( 或称激光颚脉冲) 首先与靶物质相互作用，在激光束没有明 显改变靶物质特性和状态之前，激光在线性光学范围内被物质反射、折射、衍射和 吸收；当激光能量在物质上沉积到足够大时。靶物质被离化形成等离子体，此时激 光和等离子体中发生强烈耦合，如波一波耦合，波一粒子相互作用等。 激光等离子体状态与激光密切相关。定义激光功率r 和激光强度i 。( y n t t 功率 密度) ： 只皇鱼 i l 皇生 ( 1 5 ) 。 fs f 其中盈，s ，f 分别为激光能量。焦斑面积和脉冲宽度( f w i 协f ) 。不同强度、波长、脉 宽的激光与等离子体耦合时的机理可能截然不同。现在i c f 激光强度一般在1 0 4 紫外激光入射腔靶的受激r a m a n 散射王哲斌 1 2 激光等离子体简介 1 2 1 激光等离子体的基本参数 等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的宏观体系。同固态、 气态、液态一样，它构成了物质的另外一种聚集态，称之为第四态。事实上就整个 宇宙而言，绝大多数物质都是处于等离子体态，它的参数空间与其他三态相比非常 之广：密度从1 0 3 m 3 变化到1 0 3 3m 一，温度从1 0 2 k 变化到1 0 9 k 。我们惯性约束聚 变中的等离子体密度n 约在1 0 2 7 m _ 3 量级，而温度约在1 0 8 k 量级。 一个物质要处于等离子体态，它至少要符合三个判据 3 , 1 4 1 ： ( 1 ) 九l( 2 ) d l( 3 ) m a x ( r o e ，。) ( 1 3 ) 其中厶即著名的德拜长度，它衡量了等离子体中最重要的性质一集体行为的空间 尺度，定义为： k 。皇f 警r ，如皇( 磕+ 磕) l ，z 。k ( 1 。， 判据( 1 ) 表示等离子体要对外呈现集体作用的性质，其宏观尺度l 至少要大于该作 用的特征尺度。d 皇n ：q 3 代表的是一个半径为如德拜球中的粒子数，判据( 2 ) 表示只有粒子数足够大时德拜屏蔽在统计上才是一个正确的概念。带电粒子与中性 粒子相互作用以表征，而带电粒子之间相互作用则可以分成两体的库仑碰撞和 集体相互作用两部分t 分别用v ，。表征，判据( 3 ) 表示只有中性粒子影响小，体 系才对外呈现等离子体特征。 激光等离子体是激光与物质相互作用的产物( 1 5 j 。在激光聚变中，当激光入射到 靶物质时，激光前沿( 或称激光预脉冲) 首先与靶物质相互作用，在激光束没有明 显改变靶物质特性和状态之前，激光在线性光学范围内被物质反射、折射、衍射和 吸收；当激光能量在物质上沉积到足够大时，靶物质被离化形成等离子体，此时激 光和等离子体中发生强烈耦合，如波一波耦合，波一粒子相互作用等。 激光等离子体状态与激光密切相关。定义激光功率皖和激光强度i l ( 又叫功率 密度) ： 只皇旦，皇生( 1 5 ) 一 f 一 5 f 其中盈，s ，r 分别为激光能量，焦斑面积和脉冲宽度( f 删) 。不同强度、波长、脉 宽的激光与等离子体耦合时的机理可能截然不同。现在i c f 激光强度一般在1 0 1 4 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 5 1 0 1 5 w c m 2 ，波长九o ，3 5 1 p m ，实验用的脉宽f - l n s ( 1 n s = l o 一5 ) ，高增益激光聚 变的脉宽f 1 0 n s ，丽在强场物理中激光器件地脉宽甚至达到皮秒( 1 p s = i 0 1 2 s ) 和飞秒( 1 奔= 1 0 。5 j ) 量级，聚焦后的功率可以达到1 0 2 0 w l e m 2 。 等离子体固有的振荡频率二：生，激光在等离子体中传播的色散关系即： 斌= 。+ 砬c 2 ( 1 6 ) 可见随着密度的增加，激光波数k ，变小，当，= 0 时激光无法在向更高密度区传播， 定义该密度为临界密度一，即： 一芋( m l l 1 酽( 半) 2 ( 一。) ( 1 7 ) 激光只能在n h ，区域传播、散射、吸收；在激光等离子体中，我们又把这个具有 低温高密特点的等离子体区域叫做晕区。为了后续论文的介绍，下面简要介绍一下 晕区中的几个特征量【“1 。其中各参量的单位在我们整个论文中如果没有特别说明， 一般都采用实用单位，常见的有：电子密度的单位为c m 一，温度的单位为e v ，波 长的单位为z m ，速度的单位为c r r g s 。 近临界面附近的温度：在近临界面附件考虑平衡态，认为等离子体吸收能量和 电子热传导带走的能量平衡，则可推出该面附近的温度： 去地s 手c 而i a b 丽l ，c 与l l t mr s ， 其中厂为限流因子，一般在0 0 1 o 0 8 问。即等离子体吸收能量。 晕区典型速度：在临界面上等离子体流的速度约为声速，即： ，皇厩出睁2 点l k e v ，2 卜s ，。， 在n ”。区，主 要用x r a y 方法诊断；对于h 月，的晕区主要靠光学诊断。晕区中参量不稳定性过 程的诊断方法又分为主动诊断和被动诊断两类。主动诊断是通过探针束在等离子体 中变化来获取信息，如全息干涉测量法，t h o m s o n 散射测量方法。t h o m s o n 散射测 量不仅能测量激光等离子体中各种参数，还能以极高的时空分辨细致地研究特定的 参量不稳定性过程，至上世纪9 0 年代，t h o s m o n 散射测量已经成为各国激光等离 子体研究的一个主要光学诊断手段。我们学校非线性等离子体物理实验室与中国工 程物理研究院激光聚变研究中心合作在t h o s m o n 散射理论和诊断技术上做了不少 工作【4 , 2 4 1 ，并在星光i i 激光装置上首次建立起了t h o m s o n 散射探测系统，为“神光 i i ”装置下t h o m s o n 散射诊断技术的应用打下了基础。 被动测量法测量的是等离子体中的自发辐射。由于所有的参量不稳定性过程都 8紫外激光入射腔靶的受激r a m a n 散射王哲斌 直接或间接地散射光谱，因此对这种自发散射谱的测量至今都是诊断参量不稳定性 中最直接也是最实用的方法。本论文研究的受激r a m a n 散射光谱就是用被动测量 法，在“神光i i ”激光等离子体实验中通过谱仪直接测量得到的。 如前所述，受激r a m a n 散射的研究对商增益激光聚变的实现和激光等离子体物 理的研究均有重要的意义。限于装置和诊断手段，本论文从基础物理研究的角度对 实验s r s 光谱的成因进行了初步的分析，对s r s 散射谱的诊断在激光等离子体丝化 情况下的应用做了一定的拓展。 本论文内容安排如下：第二章给出激光等离子体中受激r a m a n 散射研究的理论 和实验综述。第三章给出了受激r a m a n 散射的基本理论，并详细介绍了实验分析中 用到的一些理论模型。第四章用上述理论模型模拟实验条件下受激r a m a n 散射的性 质，为后面的数据处理做准备。第五章讲述了我们在“神光i i ”装置上的实验安 排，并对实验结果进行了分析讨论。论文最后给出工作总结和展望。 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 9 参考文献 【1 】j d l i n d l ， d e v e l o p m e n to ft h ei n d i r e c t - d r i v ea p p r o a c ht o i n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o na n dt h e t a r g e tp h y s i c s b a s i sf o ri g n i t i o na n d g a i n ”，u c r l j c 一1 9 9 0 1 5 ，1 9 9 5 ，p 5 【2 】j d l a w s o n ，“s o m ec r i t e r i af o rap o w e rp r o d u c i n gt h e r m o n u c l e a rr e a c t o r ，p r o c p h y s s o c l o n d o n b 7 0 ( 19 5 7 ) 【3 】刘慎业，激光等离子体耦合中教射光特性研究，博士论文，中国工程物理研 究研( 1 9 9 9 ) 4 】郑坚，小能量打靶条件下的受激b r i l l o u i n 散射的实验研究以及t h o m s o n 散射 的理论研究，博士论文，中国科学技术大学( 1 9 9 8 ) 5 】j d l i n d l ，p h y s p l a s m a s2 ，3 9 3 3 ( 1 9 9 5 ) 6 j h n u c k o l l s ，l w o o d ，a t h i e s s e n ，a n dgb z i m m e r m a n ，“l a s e rc o m p r e s s i o no f m a t t e rt os u p e r - h i 曲d e n s i t i e s ：t h e r m o n u c l e a r ( c t r ) a p p l i c t i o n s ”，n a a t r e2 3 9 ，1 2 9 ( 1 9 7 2 ) 【7 】k a b m e c k e r , a n d s i e b ej o m a ， l a s e r - d r i v e nf u s i o n ，r e v m o d p h y 4 6 ，3 2 5 ( 1 9 7 4 ) 【8 】r o g e rm w h i t e ，d a v i da r e s l e r , a n ds t e p h e ni w a v l a w , “e v a l a u t i o no fc h a r g e d p a r t i c l er e a c t i o n sf o rf u s i o na p p l i c a t i o n s ”，p r o c e e d i n g so f t h ei n t e r n a t i o n a lc o n v e r g e n c e o nn u l e a rd a t af o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 9 9 2j u s l i s hg e r m a n y , e d i t d b ys m q a i m ( s p r i n g o r v e r l a g ，b e r l i n ) ，8 3 4 ( 1 9 9 2 ) 9 j h n u c k o l l s ， l a s e r - i n d u c e di m p l o s i o n a n dt h e r m o n u c l e a r b u r n ”，l a s e r i n t e r a c t i o na n dr e l a t e dp l a s m ap h e n o m e n a ，e d i t e db yh j s c h w a r z ，a n dh h o r a ( p l e n u mp r e s s ，n e wy o r k ) ，v 0 1 3 b ，3 9 9 4 2 5 ( 1 9 9 4 ) 1 0 j d l i n d t ， p h u s i c so fi g n i t i o nf o ri c fc a p s u l e s ”，i n t e r n a t i o n a ls c h o o lo f p l a s m a p h y s i c s ，p i e r oc a l d i r o l a ：i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o ne d i t e db ya c a r u s oa n ds i n d o n i ， i t a l y , p 6 1 7 - 6 3 1 ( 1 9 8 8 ) 1 1 】gs f r a l e y , e j l i n n e b a r , r j m a s o n ，a n dr l m o r s e ，“t h e r m o n u c l e a r b u m c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s e dd e u t e r i u m t r i t i u m m i c r o s p h e r e a ，p h y s 。f l u i d s1 7 ，4 7 4 ( 1 9 7 4 ) 【12 w i l l i a ml k r u e r , “i n t e r a c t i o no fp l a s m a sw i t hi n t e n s el a s e r s ”，p h y s p l a s m a s2 ， 2 2 7 0 ( 2 0 0 0 ) 【1 3 ff _ c h e n e ta 1 等离子体物理导论 【1 4 刘万东等离子体物理导论，中国科学技术大学出版社 【1 5 】张家泰激光等离子体相互作用物理与模拟河南科学技术出版社 【1 6 】c e m a x ，e ta 1 p h y s i c so ft h ec o r o n a lp l a s m ai nl a s e rf u s i o nt a r g e t s n o r t h - h o l l a n d ：n e wy o r k ( 1 9 8 2 ) 【1 7 】s i 。b m g i n s k i i ，i nr e v i e w so fp l a m s a sp h y s i c s ，e d i t e db ym a l e o n t o v i e h ， c o n s u l t a n t sb u e r e a u ,n e wy o r k ，v 0 1 1p 2 4 9 1 9 6 5 ) 紫外激光入射腔靶的受激r a r n a n 散射王哲斌 1 8 】马腾才等等离子体导论，中国科学技术大学出版社 【1 9 】r p _ d r a k e ，e a w i l l i a m s ，p e y o u n ge t a l p h y s f l u i d s b 1 ，2 2 1 8 ( 1 9 8 9 ) 2 0 】h a b a l d i s ，e m ，c a m p b e l l ，w l k r u e r , p h y s i c so f l a s e rp l a s m a ”，e d i t e db ym n r o s e n b l u t h ，r z s a g d e e v ，n o r t h - h o l l a n d ：n e wy | o r k ( 1 9 9 1 ) 21 】a h a u e r , ha b a l d i s ，“i n t r o d u c t i o nt ol a s e rp l a s m ad i a g n o t i c s ”，l a sa l a m o s n a t i o n a ll a b o r a t o r y r e p o r t l a 1 1 1 7 8 一m s ( 1 9 8 8 ) 2 2 】gb e k e f i ，c b d e u t s c h ，b ，y a a k o b i ，“s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s t i c so fl a s e rp l a s m a ” i n p r i n c i p l e s o f l a s e r p l a s m a w i l e y , n e w y o r k p 5 4 9 ( 1 9 7 6 ) 【2 3 n j p e a c o c k ，“r a d i a t i o nd i a g n o s t i c s ，l a s e rp l a s m ai n t e r a c t i o n s1 ”e d i t e db yba c a i m s ，j s s a n d e r s o ns u s s pp u b l i c a t i o n sp 7 1 1 ( 1 9 8 0 ) 2 4 白波，激光等离子体中相干t h o m s o n 散射的实验研究，硕士论文，中国科 学技术大学( 2 0 0 1 ) 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 第二章激光等离子体中的受激r a m a n 散射研究综述 至上世纪6 0 年代中期人们在激光等离子体中发现并确认类似于液体和固体中 的受激r a m a n 散射( s r s ) 现象之后i l 捌，受激r a m a n 散射的研究直就是激光等离 子体聚变物理工作中的一个热点和重点。上世纪6 0 年代末7 0 年代初，大量s r s 的实验推动了s r s 理论研究的迅速开展p ，4 j ，到了7 0 年代中期，c ，s l i u 小组和 d wf o r s l u n d 小组在前人工作基础上，分别建立了经典的s r s 理论【5 州。这套理论 给出了线性和非线性下s r s 的阈值、增长率、角分布及时空演化等基本特性。它 的“经典”不仅在于两种不同的方法得到相近的结论，更源于理论推导过程中的严 谨简洁；然而理论建立所用的激光等离子体图像与复杂的实际情况相比太简化，使 得该理论虽然“经典”确不普适。这一点为以后的s r s 大部分实验所验证，几乎 所有的s r s 实验都有一些经典理论所不能解释的现象【7 】，尤其在阂值、谱截止、谱 强度几个方面。到了8 0 年代，随着激光聚变实验条件和诊断技术的成熟与发展， 人们在不同的激光等离子体环境中比较理论预测和实验结果；通过与经典理论的比 较一方面推断激光等离子体实际状态一方面改进经典s r s 理论f 8 j ：这个时候s r s 研究的另一个热点是研究其产物一超热电子。由于超热电子对高增益聚变的不利影 响，到了9 0 年代，抑制s r s 成为一大热点，此时s r s 的研究更加细致，如s r s 的饱和机制一j ，束匀滑下的s r s 性状等方面。 总之，激光等离子体中s r s 的研究同激光聚变其它方面的研究一样都是为了实 现高增益激光聚变的这个宏伟目标而进行的。随着实验技术的不断发展，新的s r s 现象和更细致的s r s 研究工作推动了s r s 的理论不断完善；而人们对s r s 及激光 等离子体相互作用认识的逐渐加深，又指导了s r s 实验研究的进一步深入。受激 r a m a n 散射的研究历程体现了人们认识事物中认知、实践、再认知、再实践的一般 规律。 2 1受激r a m a n 散射的理论综述 受激r a m a n 散射的研究最早是作为参量不稳定性行为的一种与其他过程一起 研究的。关于参量不稳定性的线性行为，n i s h i k a w a 给出了一个一般理论【1 0 1 ，在这 个理论基础上，k a w 给出了更完整的理论”。在s r s 过程中，入射到等离子体中 的一支泵浦电磁波( 频率缈0 ，波矢量。) 共振地衰变为一支电子等离子体波( n k 。， k 。) 和一支散射光波( q ，t ) 。从能量守恒和动量守恒出发，它们要满足著名 的m a n l e y - r o w e 关系式： = q + 岛= 七l + 七驯 ( 2 1 ) 1 2紫外激光入射腔靶的受激r a m a n 散射王哲斌 另外。三支波在等离子体中要符合各自的色散关系： 面= + 2 c 2 ，= - f k s 2 c 2 ，。= + c 2 ( 2 2 ) 由上两式，可知s r s 只能在n 1 ( 2 3 ) 其中，k ，分别是不稳定性在均匀介质下的增长率和两个子波的群速度。在线性 情况，即k z k x 下，设厶为本底强度，则子波强度可以表示为一般式： 1 = ，0e x p 2 x ( y 0 2 v , v 2 k ) ( 2 4 ) 在这基础上，1 9 7 3 年，r o s e n b l u t h 又细致研究了不均匀等离子体下三波参量不稳定 性过程的时间演化与在空间上的扩展过程【1 5 】。同样是假设时空上振幅缓变，相位快 变，模拟表明：不稳定性先是共振区中的一个初始扰动以均匀介质中的增长率随 时间增长，然后再向外扩展，直到受到等离子体尺度或者是相位匹配条件 4 k 一l ，尼2 “( 2 6 ) 值得注意的是，上述讨论都是在非相对论情况得到的，而且不适用于n 4 区域。 f o r s l u n d 等人工作的另一个重要贡献在于详细给出了非线性情况下参量不稳定 性的过程。非线性效应主要来自于三个方面；( 1 ) 被激发的子波对泵浦波的影响； ( 2 ) 静电波的非线性行为，如粒子俘获效应，这将导致等离子体中电子的非麦克 斯韦分布。( 3 ) 被加热的电子群对静电波的影响。作者通过保留基本方程中的泵清 项，使得子波对泵浦波的影响在后续推导方程中得到体现。文章中清楚描述了第 种非线性效应，对后两种非线性效应只是给出一个估测。同线性情况一样，作者分 别从无限均匀、有限均匀和有限不均匀等离子体三种情况详细讨论了s r s 非线性 过程。 之后，s r s 理论研究大多以他们的工作为基础考察特定情况下的s r s 性状，如 2 0 0 3 年中国科学技术大学硕士论文 1 5 1 9 8 5 年；r a n k i n 等人【2 川研究了磁化等离子体下侧向s r s 情况，1 9 8 6 年k u t t y 2 1 1 详细 考察了指数密度面分布下s r s 侧向散射的情况等。至于s r s 的阻尼、饱和、衰变 等方面的工作将在下面分类介绍。 总之，l i u 和f o r s l u n d 两个小组分别用不同的方法，详细考察了s r s 过程，得 - 到了相同的基本结论，如增长率，闽值，绝对不稳定性和对流不稳定性发生条件； 它们也因为考察角度的不同，相互补充了s r s 其它方面的特性，如角分布，色散 关系，线性和非线性行为的时空演化等等。至此，s r s 的基本理论建立了起来。 2 1 2 受激r a m a n 散射理论的改进 s r s 的经典理论大多以均匀光强的入射激光，一维分布等离子体密度为基本背 景，这和实际中激光等离子体复杂状态的较大差异直接导致了经典理论不可能解释 实验中观测到的s r s 的所有性状。 实验和经典理论的冲突主要表现在以下几个方面：( 1 ) 阈值：许多对流s r s 谱 ( s r s c ) 出现的光强均远小于理论闽值，而且它们常常和 ，4 附近的绝对s r s 谱( s r s a ) 同时出现吲。( 2 ) 谱截止：s r s 谱离端的截止一般认为是l a n d a u 阻尼所致【23 1 ，离黼2 端的截止则认为是密度面陡峭所致【2 4 1 ，但后者在有些实验中 并不成立【2 “。( 3 ) s r s 时间分辨谱：有些实验中观测到的s r s 时谱并不是经典理 论所预言的连续宽谱，而是呈现离散闪烁特征 2 ”。( 4 ) 角分布：一些实验【25 l 结果 测量的s r s 分布在侧向几乎没有变化，这和对流s r s 理论预言不符：另外有的s r s 实验在入射激光极化面外还发现s r s 峰值等现象。( 5 ) s r s 谱时间演化上的定量 研究【2 3 也会与经典理论出现重大冲突。 因此，结合具体的激光等离子体状态，关于s r s 理论的许多修正模型提了出来。 这些修正理论主要有：( 1 ) 增强非相干t h o m s o n 散射理论【2 ”。( 2 ) 丝