（光学专业论文）icf高功率激光驱动器中受激拉曼散射效应研究.pdf

i c f 高功率激光驱动器中受激拉受散射效应讲究 毙孥专监 研究生罗莉指导教师张彬教授 在惯性约柬聚变( i c f ) 中，受激拉受( s r s ) 效应是一种非常有害的非线 往散应。在i c f 高功率激先驱动器中，s r s 效应产生畿鞠鬣的环节楚频率转换 系统霸空气装耧传输系绞。辩专：频率转换系绞串懿太强径鬃率转换麓体来谖， 谯蓬壹子泵灌必传播方海产肇静横肉受激挝曼敬瓣( t s r s ) 是襞其破坏瞧的嚣 线性效应。t s r s 效应苓仅会造成泵瀵光熊量严重损失，使倍频效率大大降低， 曼严重豹是，当t s r s 声生豹撕挺克颏光髓峰值能爨密度大于频率转换龋体的 破坏阏值时，将会造成频率转换鼯体永久性破坏。批外，瓤颊率转换器输出的 三倍频强紫外激光在空气长程传输过程中将产生沿浆浦光传输方向的受激旋转 拉曼散射( s r r s ) 效应，s r r s 效应不但会引起泵浦光能羹的损失，而魑还将 导致激光光束璇囊弱显交蓑，麸褥影桶激光抒靶瓣鹱繁。困诧，为了提嵩i c f 商功率激光驱动器逐行静面撵往、稳定毪，最终颓铡实凝聚变点火，努须精i c f 离功率激光驱动嚣牵产垒豹s r s 皴瘦遴露研究。 本论文镑对妃f 麓瑰宰激光驱动爨中产生躲受激控提散射效墩，详细讨论了 频零转换系统秘空气长纛铸输系统中s r s 效瘦对频攀转换黥体以及激光光柬质 量等方面的影响。论文取得的主隳结果包括： ( 1 ) 建立7 强激光通避不圈介威传输时产生s r s 效应的物理模型 钟对i c f 斑功率激光驱渤器中谐波转换最体和空气两种不同的传输介质， 从量予力学的角度出发，建立了s r s 效_ 呶的物理模型，详细考虑了s t o k e s 光和 泵浦光的衍射、i a n g e v i n ( 部兹万) 噤声源、晶体寝磷和端面反射、介质的j 线性稷亿、菜漏光静衰减、矫托竟赣巍豹j 线健放炎醣及拉受线宽等诸多因素。 ( 2 ) 对谐波转换晶体中的t s r s 效应特性进行研究 针对i c f 驱动器的不间运行状态( 常规运行和长脉冲运行) ，讨论了k d p 和 摘要 k d p 晶体中的t s r s 效应，计算分析了时间位相调制对谐波转换晶体中s t o k e s 光强度最大值仉) p 。北和能量密度最大值( 足) p 。a l 【以及t s r s 时空特性等产生的影 响。 ( 3 ) 对强紫外激光在空气中长程传输时产生的s r r s 效应进行研究 定量研究了强激光在空气长程传输过程中产生的s r r s 效应，计算分析了 泵浦光的空间位相畸变和空气真空度等因素对s r r s 效应的阈值条件、时间特 性、转换效率以及激光光束质量的影响。 关键词：受激拉曼散射( s r s ) 、时间位相调制、空间位相畸变、光束质量、闽 值、转换效率 i i 本论文工作得到国家高技术8 6 3 项目( 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) 资助。 摘要 s t u d yo hs t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n go fh i g h - p o w e rl a s e r d r i v e rf o ri n e r t i a lc o n f l n e m e n tf u s i o n m a j o ro p t i c s p o s t g r a d u a t e ：l il u o d i r e c t o r ：b i nz h a n g i ni 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 ) ，s t i m u l a t e dr o m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) i sa n e x t r e m e l y h a r m f u ln o n l i n e a re f f e c t ，w h i c hw i l l p r o d u c es i g n i f i c a n t l y i nt h e f r e q u e n c yc o n v e m i o ns y s t e ma n dl o n ga i rp a t hp r o p a g a t i o no fh i g h p o w e rl a s e r d f i v e f o rt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r y s t a l so fl a r g ea p e r t u r e ，t h et r r l q , s v e 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 ( t s r s ) i st h em o s td a m a g i n gn o n l i n e a re f f e c t ，w h i c h w i l ll e a dt ot h el o s so fl a s e re n e r g ya n dt h ed e g r a d a t i o no ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y 。w h e nt h ep e a ks t o k e sf l u e n c ee x c e e dt h ed a m a g et h r e s h o l d o ff r e q u e n c y c o n v e r s i o nc r y s t a l s ，t h ef a t a ld a m a g eo nt h ec r y s t a l s a r et h em o s ts e r i o u s f u r t h e r m o r e ，o w i n gt ot h ee f f e c to fs t i m u l a t e dr o t a t i o n a lr a m a ns c a t t e r i n g ( s r r s ) o n3 c oh i g h p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rb e a m si nt h ep r o c e s so fl o n ga i rp a t hp r o p a g a t i o n a f t e rt h ef r c q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m ，n o to n l yl a s e re n e r g yl o s s e s ，b u ta l s ot h e b e a mq u a l i t yd e g r a d e s ，l e a d i n gt ot h ee f f e c to nt a r g e ti r r a d i a t i o n f o ri m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t yo fl a s e rd r i v e ra n dr e a l i z i n gl a s e rf u s i o ns u c c e s s f u l l y , i t i s e s s e n t i a lt os t u d yt h es r se f f e c to fh i g h - p o w e rl a s e rd r i v e rf o ri c e i nt h et h e s i s ，t h ee f f e c to fs r so nt h ec r y s t a l sa n db e a mq u a l i t yi nt h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o ns y s t e ma n dl o n ga i rp a t hp r o p a g a t i o nh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l - t h e m a i nr e s u l t so b t a i n e dc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h y s i c a lm o d e lo fs r s i nd i f f e r e n tm e d i u m sh a sb e e nb u i l tu p b a s e do nq u a n t u m - m e c h a n i c a lv i e w p o i n t s ，t h ep h y s i c a lm o d e lo fs r se f f e c t h a sb e e nb u i l tu pf o rt w od i f f e r e n tm e d i u m s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r y s t a l sa n da i ri n i c f , w h i c hc o n s i d e r e dt h ed i f f r a c t i o ne f f e c t so fs t o k e sa n dp u m pl a s e r s ，l a n g e v i n n o i s es o u r c e s ，r e f l e c t i o na t t h ef a c e sa n dt h ee d g e so fc r y s t a l s ，t h en o n l i n e a r p o l a r i z a t i o n o ft h em e d i u m ，t h ed e p l e t i o no fp u m p e dl a s e r ，t h e n o n l i n e a r 1 1 1 摘鬟 a m p l i f i c a t i o no f t h es t o k e sf i e l da n dt h er r l l l a nb a n d w i d t h ，e c t ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft s r se f f e c ti nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r y s t a l sh a v e b e e ns t u d i e d f o rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so fl a s e rd d v e r ：l o n ga n ds h o r tp u l s e ，t s r s e f f e c ti nk d pa n dk d * pc r y s t a l sh a sb e e ns t u d i e d 。髓ee f f e c to f t h et e m p o r a lp h a s e m o d u l a t i o no np e a ks t o k e s i n t e n s i t y , p e a k s t o k e sf l u e n c ea n ds p a c e - t i m e c h a r a c t e r i s t i co f t s r sh a sb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ( 3 ) t h es m 略e f f e c ti nt h ep r o c e s so fh i g h - p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rp r o p a g a t i o n i nl o n ga i rp a t hh a sb e e ns t u d i e d t h es r r se f f e c ti nt h ep r o c e s so fh i g h - p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rp r o p a g a t i o ni n l o n ga i rp a t hh a sb e e ns t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y 1 1 l ee f f e c to ft h ef a c t o r si n c l u d i n gt h e s p a t i a lp h a s ep e r t u r b a t i o na n dv a c u u e f l o nt h es r r st h r e s h o l d ，s t o k e st e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c , s r r sc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dl a s e rb e a mq u a l i t y h a sb e e n c a l c u l a t e da n da n a l y z e d 。 k e yw o r d s ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，t e m p o r a lp h a s em o d u l a t i o n ，s p a t i a l p h a s ep e r t u r b a t i o n ，t h r e s h o l d ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h i sw o r k w a ss u p p o r t e db yn a t i o n a l h i - t e c h8 6 3 p r o j e c t ( s o t 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) 燮堡燮誊攀i 舞器孛受激拉巍数翦效斑礤究嚣川大学矮：扛学蕴论文 第一章零l 言 1 1 惯性约束聚变( i c f ) 简介 为解决2 1 世纪人类的能源闯题，可控热核聚变是可行的重要途径，耳前农科 学可行往上，戳裔功率激光驱动的惯毪约束聚变( i c f ) 疆在氆界范嗣内取褥令 人鼓舞的成就。i c f 的物理含义是利用激光藏离子来驱动器所撬供的能量辐熙填 充热核燃料的靶丸，通过聚心肉爆，压缩并加热氘氚靶丸，使之达到点火条件1 1 ”。 惯性约衷聚变包括激光驱动惯燃终素羧变、蹇予柬驱动一骥蛙约寒聚变魏毫子寒驱 动惯性约束聚变。目前的研究主要针对激光驱动惯性约束聚变，因此，也经常称 “激灌聚交”h 一。激光聚交基本潦理怒裁焉激光隶嶷接鸯霸热或卷穰焉激怒秉愁射 高z 材料转换成豫千电予伏的x 光间接加热装有聚变燃料的微球靶丸表面，形成 等离子体，高速夕 喷，如火箭原理一样，反作用力使靶物质以每秒数百公里酌速 度囱内会聚，把热核燃料压缝。预计燃燃压缎至4 镑密度的2 0 倍，湿度达到1 亿度 就能够实现热核材料的点火和燃烧，释放出聚变能。 激光聚变露熬羟皱梵露令除段( 翔凌l 。l l 嚣示) ：强毙辖照、痰爆蜃臻、滚 变点火及聚变燃烧。强光辐照是指强激光束( 葳强x 光) 快速加热氘氚靶丸表陋， 形成一个等离子盛镶层；瘫露繇结是靶丸表嚣熬耱获岗舞磺发，反鑫蘑缩燃释； 聚变点火是通过向心聚爆过程，氘氖核燃料达到高温、高密度状态；聚变燃烧是 热核燃烧在被压缩燃料肉都蔓跫，聚交放出的能量大于驱动能量，获得能量增益 f 1 3 l 5 1 。 强巍辐射内爆压缀聚变点火聚变燃烧 圈1 1 1惯性约柬聚变过程的四个阶段 i c f 高功率激光驱动嚣中受激投爨散射效应研究妇川大学硕士学位论文 就驱动方式而言，激光聚变可分为直接驱动羊n 间接驱动两种基本方式。赢接 驱囊裁是激先柬蠢接辐瓣蠹爆靶球，藤蟪黎变燃秘傻箕至这点火褒鑫维持燃料条 件，如图1 1 - 2 所示。巍接驱动可以较高地利用激光能量，同时，靶构型也简单， 但直接驱动对激光束辐照均匀性的要求较高。 闻接驱动是指激光窳并不直接辐照内爆靶球，嚣是照射到麓z 材料组成的黑 麓内壁，激光麓量被黑簸啜毅，黑黢拜溢、毫蔫，溺对疆龛| 密大羹的x 蔚绞，裁 用这些x 射线驱动内爆靶球，压缩聚变燃料使其副达点火和自维持燃料条件。间 接驱动有较好的辐射均匀性，同时，遥可以利用间接驱动产生的x 射线研究大爨 夔魏理戆熬。然嚣，瓣接驱动盛矮磷究激毙一x 巍转换过程。黧| 。l 一3 绘出了淹 接驱动的示意图。 图1 1 - 2 赢接驱动示意嘲 黼1 1 - 3 问接驱动眷意图 麓棼联在翠期处乎潮俸激光技术发震豹先导遗位，擐蕊寒选撵了碘激光技术。 七十馨健藏麓，美嚣取箍筏之，戴籍一麓鼗表了高功率霪体激光按拳发展盼襄滚， 2 i c f 离功率激光驱动器中援激投曼教射效应研究 匹l 川大学颂士学位论文 从, f n 大先艨建成? 十众台装霪。具鸯代表一陡的怒美国焚仑兹一剿弗莫尔国家实 验瀣( l l n l ) 予1 9 8 4 颦建成的n o v a 激光装惹_ 葶n 罗期斯特大学激光工瑕实验室 ( l i e ) 于1 9 9 5 年建成升级艏的o m e g a 激光装鬣。n o v a 激光装置服役至1 9 9 9 年，对激光技术和激光簿褰予俸物理郝传出了历史性款鼹献。基本大阪大学激光 工粳所( i l e ) 于1 9 8 3 建成了当时世界上最大的钕玻璃激光装置，菸予1 9 8 7 年 将塑料薄壳微球靶内爆愿缩至6 0 0 倍液氘密度( 1 2 0 9 c r n 2 ) 。法国摄梅尔( l i m e i l ) 实验室予1 9 8 6 年开始避行p h e b u s 激光装置，该装置是觚美隧赠炎的n o v a 装雹 两条束线躲复制最。此终，英凰卢瑟禳实验室( r a l ) 筹也建有些较小的激光 装爨。我国中国工程物骥研究院与中国科学院上海光极所合作予1 9 8 4 年和1 9 8 5 年先后建成黛光一i 装鬣和神光一i 装鬣1 1 6 - 1 s 。前蒲在1 9 9 4 年升级为鐾光- - i i ， 瑟瑟者予2 0 年舞缀戈耪必- - i i 。菠1 1 1 裂出了整爨务嚣蠢建成救大型匿绺激 光装置。图1 1 - 4 绘崽了典型嬲大型激光装置照片。 表1 1 - 1 铸国已建成的i c f 装置 重家实骧整装鬣能量( t 磅辣宽( 嬲) 募数 建戒 美国 l l n ln o v a4 5 3 0 )n 1 31 01 9 8 4 i i n lb e a m l e t6 4 3 0 )3 1 1 9 9 4 姒 o m e s a 4 0 3 0 )0 1 16 01 9 9 5 蠢奉珏蔗 g e k k o x i i1 5 3 0 )0 ，1 一l王2l 粥3 法国“m e i ip h e b u s 8 ，3 0 1 32 1 9 8 6 中国高功率激光物理园家实验室神光一i 1 6 l o ) o 1 1 2 1 9 8 5 蔫凌率激是穆瑾黧家实验室棒必- - i i6 1 0 ) 0 王18蓉瓣0 中翻工程物理研究院 星光- - i io 1 5 搀o 1 111 9 9 4 英国r a lv u l a n 2 倍o 1 18 3 i c f 高功率激光驱动器中受激拉曼散射效应研究四川大学硕士学位论文 4 ( a ) n o v a 激光大厅( b ) n o v a 靶场 ( c ) o m e g a 激光装置( d ) o m e g a 靶场 ( e ) g e k k ox 激搬装鬟激强大矛 国g e k k o 疆靶塌 i c f 随功率激光骧动器中受激拉受散射效应研究 四j l l 大学硕士学位论文 ( 妨艄e b u s 激光装麓激光丈厅0 垮p h c b u s 靶场 圈1 ，i - 4 各翻甚建成的典挺必溅激光装置 九十年代，美国在全面发展新一代固体激光材料、单元技术和先进总体技术 及设计技术的基础上，率先启动总投资数十亿美元，为期十年的大科学工程，建 造国家点火装置n i f 。该装置宽约1 0 0 米，长约1 5 0 米，其规模和难度都是史无 前例的。计划在2 0 1 0 年后实现实验室热核聚变点火和增益。实现这一目标将是科 学技术发展史上划时代的事件。法国随即开始建造与n i f 类似规模的l m j 激光装 置，而且，两国在激光技术上全面合作。俄罗斯目前计划建造大型固体激光装置 i s k r a - 6 ，但因高功率激光技术基础不足，经济困难，目前尚处于技术预研和准备 阶段。我国在关键光学元器件和激光技术不断取得进展的基础上，启动了建造神 光一装置的项目。在建和计划建造的新一代巨型固体激光装置列于表1 1 2 。 表1 1 - 2 建造中的新一代i o f 固体激光装置 国家实验室装置能量( k j )脉宽( i i s )柬数建成 美国l l n ln i f 1 8 0 0 3 0 )1 5 整形脉冲 1 9 2 2 0 0 8 法国c e a - d a ml m j2 4 0 0 ，3 1 5 整形脉冲2 4 02 0 1 0 中国中国工程物理研究所神光- - i i i6 0 3 c o1 3 整形脉冲6 42 0 1 0 俄国 v n i 正fi s k r a 6 3 0 0 3 0 01 3 整形脉冲1 2 8 这些装置都有数十倍于已有装置的规模，耗资巨大、周期长、风险度高，需 要不断发展的先进技术来支撑，更面临着工程科学方面的许多课题。解决这些问 i c f 高功率激光驱动器中受激拉曼散射效应研究四川大学硕士学位论文 题需要艰苦劳动和不断创新，同时，需要借鉴和融合其他领域与行业的先进技术 和成功经验，如微电子业的洁净环境控制及元部件标准化、集成化、模块化和插 件化设计等。新一代i c f 固体激光装置的建造和相关技术的发展标志着高功率激 光技术的发展进入了新的历史时期。 1 2 ic f 高功率固体激光驱动器简介 蕊功搴嚣髂激必驱动器主要囊藏璞- 骥放丈缀、主敖丈缀、空趣滤渡器、频率 转换器、空气中的长程传输、靶场等系统组成i 。吼，如图1 2 1 所示。 图1 2 - ii c f 离功率固体激光驱动器的组成绪梅 频率转换器的功能怒将主放大系统输出静基颗先( 篱称l 巍，波长l 为 1 0 5 3 h m ) 转换为打靶所需的三倦频光( 3 c o 光，a 为0 3 5 1 1 x m ) 。一般采用磷黢二 氢舞鑫体( k h 2 p 0 4 ，k d p ) 及箕丽炎静氯纯蒺俸( k f d 。h , x ) 2 p 0 4 ，k d + p ) 律麓菇珐 率激光漩置谐波转换的非线性晶体，主要是由于它们具有相对较高的非线性转换 效率、毙谱范鬃赛、曩霉生及易攘王戆特患h o l 。 以美国l l n l 实验嶷的国家点火装鬣n i f 为例，它拥有1 9 2 路太口径( 4 0 c m ) 光束，每路激光束豹频攀转换器酃安装在靶室上，出两块边长为4 2 c m 的大嗣径 k d p 和k d * p 晶体组成，图1 2 - 2 给出了频率转换晶体在n i f 激光系统中的傲麓。 6 槲 咐啡 然 l c f 嶷功率激光驱动器串受激控曼散射效应研究西翊大学硕t ：举婉论文 图1 2 - 2 姜幽n t f 激光系统中的频率转换器 在第一块黠钵( 【 毛p 0 4 ，k d p ) 中，1 0 5 3 n m 蛔入菇短夕 激光部分转换为5 3 1 n m 的倍频光，在第二块晶体( 含氘的k d p ) 中，1 0 与2 c o 混频得到波长为3 5 1 n m ( 3 c o ) 麓强紫乡 激光束，转换效搴冒运捌7 0 8 0 。鬻1 2 - 3 表示了三嵇蔽过程示 意图。 4 图1 2 _ 3n l f 频率转换器串酌三话鞭过程 由频率转换器输出的强紫外激光在到达聚交靶起乏兹会在空气中进行长距蹇 传输，此后出射的多柬激光束必须保证具有良好的能照平衡和光束质量才能顺利 实憝i c f 鳇点必。默羡蓬罗镪囊季警大学瓣o m e g a 激毙装受建秘，葵长穆传簸部 分主要怒指频率转换晶体输出的兰倍频光经空气长程传输到侥相板这一部分，如 潮1 2 4 所示。 7 i c f 商功率激光驱动器中受激拉曼散射效应研究 四川大学硕士学位论文 刚“薯勰勰t s 黼删8 明8 呐棚r舶黼n8 嘲罩i n 囊l r 图1 2 - 4o m e g a 激光装置的空气传输部分 图1 2 - 5o m e g a 激光系统中的传输装置 在o m e g a 升级激光系统中，有多达6 0 束强紫外激光束经环状光路注入到 终端光学系统中，平均光强达2g w c m 2 ，空气传输路径为1 8 m 1 ，如图1 2 - 5 所示。在传输中要尽量避免空气的非线性效应、衍射等因素对激光光束质量的影 响，并要保证激光脉冲在时间上绝对同步传输，即要求达到能量平衡和时间同步， 这样激光光束才能均匀辐照靶丸，否则就可能影响i c f 打靶的质量 i c f 高功率激巍驱动器孛受激控受敞瓣效应研究鹤州大攀硬士学位论文 。3l c f 巾s r s 效藏骈究的强懿凝意义 在惯性约束聚变( i c f ) 中，受激控曼( s r s ) 效应是一种非常有害的非线性 效应。在i c f 褒功率激光驱动器中，s r s 效应产生最骥显静强节楚频率转换系统 鞠空气长程健输系统。对予大型i c f 激斑驱动器来说，当3 媛) 党的光束径侥。 3 0 0 0 e m ，强度五。( 2 嘶g 2 ) ，能潼密度恐。- 2 1 5 j c m 2 ，赫宽奄。1 - 1 5 n s 时，光学元件中将产生两种危害性极大的受激散射受激布里渊散射( s b s ) 釉受激羧曼散射( s r s ) 。辩于颓率转换暴统中游k d p 和k d p 谐波转换晶俸， 在垂直予慕潍燹传播方意产生鳇攮淹受激控曼散射( t s r s ) 怒最嶷疆坏煌黪l 线 性效应f l l3 1 。产生的t s r s 将造成以下危害： 幻罄频始能量严霪损失，使傣频效率大大黪降低： 秘姿t s r s 弱巍擞大予三髂叛暴露兹破坏瓣壤f 黠，姆造成三傣频器镕 的永久憔破坏，从而蹲致撩激光通过谐波转换簖体詹光束质爨大大变差。 除鼗之外，由频率转换器输出的兰傻频光旋空气妖程传输过稷中与空气中黪 氮分子糨互佟用产嫩沿浆漓光方向的受激旋转控鼹散射( s 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 ，麓拣s r r s ) 。秘曩强；，对强激毙静空气长凝传输过程将产生以 下影响： a ) 芍| 慈浆清巍熊鼙豹攒失； 秘电予s r r s 效应，以及强激必旋健较过程孛瓣惩瓣效应、热斑等骢荐霞， 不但会引起浆浦光能避的损失，而凰还将使激光束的光束质薰明显变差，从而影 响激必挝靶约震量。 医此，为了提高i c f 菇功率激光驱渤器运行的可靠性、稳定性，最终顺利实 蕊聚交患火，必须慰i c f 鬻殛率激始驱渤器中产生静s r s 效应避行研究，萁蔺豹 和意义擞于； 1 ) 辩大翟i c f 离渤率激光璇动捺中产生静s r s 效应送行寇漫磷究，躐少 s r s 效嶷对大曩径先攀嚣髂、激光港窳壤蟹及戆霪麓影睫，撼裹激怒打靶懿凄鬟。 2 ) 对影响s r s 效应的各种瀚索进行分析，为防止s r s 效应对大口径光学 元l 牛造戏毙攒伤，降低怼激光光寒震量瓣蔻塞掇供理论镶握。 1 4 国内外i c f 中s r s 效应研究现状 为了抑制i c f 高功率激光驱动器中的s r s 散廒，减小强激光通过非线髋介 质传输后产缴的s r s 效威对大口径光学元件、激光光束质量及能爨的影响，实现 i c f 豹鬏琴l 熙灭，美国罗惦酝特大学籁l l n l 实验赛等均牙震了一系列楣关碜 窕 工作，氇国内的相关工佟报道不多。 1 。4 1 谐波转换晶体中t s r s 效应研究 美国l 渊l 实验室针对大口径光学元件中产生的t s r s 效威，提出了以下几 种抑制方法l ! ：6 1 1 7 】： 1 震壤蔽经玻璃将鑫髂势裁开，将攀获鑫俸耀磊髂薄舞来健罄，激越来鼹低 t s r s 光的脊效横向传输长度，扶丽降低t s r s 增菔。例如，n o v a 装置的谐波转 换阵列如图1 4 - 1 所示i l l 6 。然而，该方法在降低t s r s 光的有效横向传输长度的 同融，却辩采了不可避兔的锈射效应，从丙降低了撼射的3 m 光的光束质量。因 诧，运耱方法在f 装麓上没有采弼。 蚕 4 - 1n o v a 装薹枣瓣潼渡转换簿稠 蚕 、4 - 2 褥k d * p 鑫耧懿铡覆热工袋餐瓣 2 ) 将l 光分成两束，从而可将3 。光的强发降低为原来的二分之一，以减 小总的t s r s 增益，但这龆会增加终端光学元件的数量和复杂穗度，最终增加驱 动器的葸逡绥。因瑟，送秘方法在n i f 装置上也没寅采用。 3 ) 采用氘纯k d p ( k d p ) 晶体，并将加工成斜面静侧嚣镶上s o l - - g e l 躐反 i c f 蔑功率澈竞鞭动爨串受澈控菱毅菇簸禽疆究嚣矧大学碛士举位论文 膜，如图1 4 - 2 爨暴。采鼹这秘方法会傻产生敕鹊r s 光产生频移，蠢虽强度极大 值点由原来的一个疲为两个，散射光强度也大大降低，如图1 _ 4 。3 所示。此外， 杰l 工熬瓣蟊镀上s o l - - g e l 减反貘矗，会镬大多数到达螽体髑嚣鹃敬莉光射出晶体， 并且，从3 0 0 倾斜侧面反射回的光线，只能在晶体内迂回前进，这样就大大缩短 了萁增益路径，从褥降低了t s r s 的增益。程上述两种效应中，第一种超主要作 用，即降低t s r s 的增益烹要是妇于将黯体氖他的结果。由于这釉方法会使t s r s 降低到一个很容易控制的水平，因此，n i f 装鼹就采用了这种抑制t s r s 的方法。 鞠_ - _ 掣脯 啪i 图1 4 ，3 米氘化和离度氘化的k d p 晶体中自发拉聂光谱豳 然嚣，汰予k d p 晶体造馀太贵，若要粟鼹它作为三绩频晶体，则必须携瞧 科学的选择判据，为此，l i n l 实验室汗展了理论与实验研究工作，其基本流程 翔图l ，4 4 掰示。 i c f 高功率激光驱动嚣中受激拽壹散射效应研究四川大学硬士学位论文 凌定k d p 霸k d * p 鑫钵熬g 壤 l 采用k d p 和k d * p 晶体进行t s r s 实黢，同时进行 t s r s 浆数傻计算，势将理论与实验结果进行比较 嘲断l ( d p 晶体是荫可作为三倍频晶体 孬毒 徕用k d * p 晶体作为三倍颓黼体 陋一步通过实验确定k d + p 鑫体的掺氖爨，工作结寒， 固1 4 - 4l l n l 实验赛墨倍频晶体j 擐择判据流程图 1 4 。2 空气中s r r s 效应研究 美罾爹缨袈特大学鹣o m e g a 激党装置采震? 5 0 隶强紫夕 激光隶燕戆骧爨 聚变靶丸，为了获得最健的聚变燃烧，必须保证辐照的高度均匀设。而在o m e g a 激光系统中，频率转换器输出的强紫外激光束需要强空气中长躐离传输才能剿达 聚交靶丸，柱这个过程审强紫乡 激光窳会与空气中鳇氮分子楣强佟用产生受激旋 转控曼散射( s r r s ) 效波。由予s r r s 效应静存程，不毽会弓l 越泵清光链蠢鹣损 失，而且还将使激光光束质量明显交麓。美国罗彻斯特大学针对s r r s 效应的影 响进行了研究，实验装置如图1 4 - 5 所示。 该实验装萋廷磺究了攀籍强激巍寒在空气孛长穗俦赣靛s r r s 效应产生戆影 响，输入能擐为7 5 0 j ，传输距离为4 5 米。在理论方面，罗切斯特大学yl i n 和 t k 。r a m a n 建立了瞬态s p - 浓s 的四维物理模型，并对产生s p a s 的阚值条件进行了 详缨磅究，绘窭s r k s 效癍装阙僮条传为g l l = 2 5 。同露，还对谯长程转竣避程 中的衍射效应和s r r s 效应可能造成对强激光光寒质量的影蛹键开展了穗关研 i c f 高功串激光驱动器中受激投照散射效应研究四川大学 谲：b 学位论文 i c f 点火的顺利实施。 围1 4 - 5 罗臻鞲跨夹拳豹强激竞在空笺长程传赣实验装置 1 5 本论文的内容安排 本论文以我国惯性约束聚变研究需求为依托，对i c f 高功率激光驱动器的频 率转换系统和空气长程传输系统中产生的受激拉照散射效应进行系统研究。论文 走容按以下方式安排： 第一溱：雩i 言 介绍了惯性约束聚变的概念、离功率激光聚窝驱动器发展状况以及驱动器中 可能产生受激拉曼散射效应的频率转换系统和空气长程传输系统。在此基础上， 分提了s r s 效瘦魏磺究溪装，壹戴孳l 爨本论文熬磷突意义，势对本论文懿主瑟蠹 容和安排做了介绍。 第二帮：受激拉曼散射效应 分绥了光数射的基零原理，绘出了撼述受激技曼数射效应戆m a x w e l l * b l o c h l a n g c v i n 方程组鼓及籀皮的数值计算方法。 i c f 高功率激光驱动器中受激拉曼散射效应研究四川大学硕士学位论文 l a n g e v i n 方程组以及相应的数值计算方法。 第三章：谐波转换晶体中横向受激拉曼散射效应研究 针对i c f 驱动器的不同运行状态( 常规运行和长脉冲运行) ，讨论了k d p 和 k d + p 晶体中的t s r s 效应，并计算分析了时间位相调制对谐波转换晶体中s t o k e s 光 强度最大值仉) 。k 和能量密度最大值( ，s ) p e a l 【以及t s r s 时空特性等产生的影响。 第四章：强激光在空气长程传输中s r r s 效应研究 计算分析了入射泵浦光的空间位相畸变和空气真空度等因素对s r r s 阙值、 转换效率以及光束质量的影响。 第五章：总结 对本论文的工作进行总结。 1 4 i c f 高功率激光驱动器中蹙激挝曼散射效应研究 嘲川大学娟士举位论文 参考文献 张彬，四川大学博士学位论文，四川大学，1 9 9 5 年 彭翰生，馁淫约束猿变莉菇功率激毙技术，中鏊工程伤溪磺究院，1 9 9 5 年， 珏。e 基索夫铃，爨密莓襄子体诊糖学，强激毙与粒子泰杂惑享主，1 9 9 2 每1 2 麓蓁一 1 4 】常铁强，激光聚变靶物理简介，北京应用物理鸟计算数学研究所，2 0 0 3 年 f 1 5 1 朱少乎。攘洼麴裘浆交磅究奔鲻，憩京瘟翔物毽与诗葵数学掰究掰 1 6 1 至湓警，激光蠼瞧缎隶棱聚变( i c f ) 最薮遴曩麓述，棱科学乓工穗，1 9 9 7 年9 其， v 0 1 1 7 ，n o 3 ：2 6 6 2 6 9 臣7 j 壬恭翁，钱圭雄，l # 线程港学缀琏奄遗震，2 0 0 1 年 f 1 8 李大义，# 线性蠢孥，2 0 0 1 年。 【1 9 】m i c h e ll a n d r e s t a t u so f t h el m jp r o j e c t ，s p 毯v o l ，3 0 4 7 ：3 8 - 4 2 ， 【1 1 0 】p w e g n e r ，j a u e r b a c h , t b i e s i a d a ，s d i x i t ，j * l a w s o n ，j m a n a p a c e , tp a r h a m ，d - s w i f t ， p w h i t m a n ，w 。w i l l i a m s n i ft m a lo p t i c ss y s t e m ：b e q u e n c yc o n v e r s i o na n db e a mc o n d i t i o n i n g 。 i 工n l f 1 1 1 y i n 擘la n dt e r r a n c e 磁r a m a ns c a t t e r i n gi na i r ：af o u r - d i m e n s i o n a ls y s t e ma n m y s j s s n e 1 9 9 2 ，1 6 2 5 ：1 5 8 1 6 6 f 1 1 2 iy i n gb t e r r a n c eka n djja f m s 的n 蚤l a s e rs y s t e mp o w e rb a l a u c ee f f e c t sf r o ms t i m u l a t e d r o t a t i o n a lr a m a ns c a t t e r i n gi na i r s p i e ，1 9 9 2 ，1 8 7 0 ：1 4 2 5 【1 1 3 】v a e r o s h e n k o ，s , v b o n d a r e o k n ，e ta l c o m p u t e rm o d e l i n go ft r a n s v e r s es b si na a n i s o t r o p i cc r y s t a l s 。s p i e , 1 9 9 5v 2 6 3 3 ：6 9 i 鳄+ 【1 1 4 】r o k n im r o t a t i o n a ls t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n gi na t m o s p h e r i cp r o p a g a t i o n a v c oe v e r e t t r e s e a r c hl a b o r a t o r yr e p o r ta m e1 9 8 4 ：6 6 3 【l ，1 5 】b r u c eo t d a k e r , t i m o t h yp r i t c h e t ta n dt h o m a sm o o r e s t i m u l a t e dr o m t i o n a lr a m a n s c a t t e r i n gi nh 2 ，s p i e ，1 9 9 6 ，v 0 1 2 7 0 0 ：3 8 2 3 8 9 【1 1 6 】r a s a c k s ，c e b a r k e r , r b e d i c h i c fq u a r t e r l yr e p o r t n l1 9 9 2 ，v 2 ，n _ o4 ：1 7 9 i 1 7 】r a s a c k s ，c e b a r k e r ，j , a c a i r d ，e ta 1 t r a n s v e r s es t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n gi nk d e s p i e , 1 9 9 5v 2 6 3 3 ：5 0 1 - 5 0 5 m 瞄脱 第二章受激拉曼散射效应效应 2 1 光散射现象 当光通过非均匀媒质悬浮的颗粒或分子时，部分光束将偏离原来方向而向四 面八方分散开来，该现象称为光的散射。偏离原方向的光称散射光，散射光一般 为偏振光( 线偏振光或部分偏振光) 。散射光的波长不发生变化的有廷德耳散射和 分子散射等，散射光波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。 廷德耳散射由英国物理学家j 廷德耳首先研究的，它是由均匀介质中的悬浮粒子 引起的散射，例如，空气中的烟、雾、尘埃，以及浮浊液、胶体等引起的散射均 属此类。真溶液不会产生廷德耳散射，故化学中常根据有无廷德耳散射来区别胶 体和真溶液。分子散射是由于物质分子的热运动造成的密度涨落而引起的散射， 例如，纯净气体或液体中发生的微弱散射叫】。 介质中存在大量不均匀的小区域是产生光散射的原因，当光入射时，每个小 区域成为散射中心，向四面八方发出同频率的次波，这些次波间无固定相位关系， 它们在某方向上的非相干叠加形成了该方向上的散射光。j w s 瑞利研究了线度 比波长要小的微粒所引起的散射，并于1 8 7 1 年提出了瑞利散射定律：特定方向上 的散射光强度与波长五的四次方成反比；一定波长的散射光强与( 1 c o s o ) 成正比， 0 为散射光与入射光间的夹角，称散射角。凡遵守上述规律的散射称为瑞利散射。 根据瑞利散射定律可解释天空和大海的蔚蓝色和夕阳的橙红色。 对线度比波长大的微粒，散射规律不再遵守瑞利定律，散射光强与微粒大小 和形状有复杂的关系。g 米和p j w 德拜分别于1 9 0 8 年和1 9 0 9 年以球形粒子为 模型详细计算了对电磁波的散射。米氏散射理论表明，只有当球形粒子的半径 a l l 轴l _jl 。 r1r 2 l ( a ) ( b ) 图2 , 2 - 1 光与物质的双光予相互作用拉显散射示意图 对于受激拉曼数射遮程，仍然遵缀动量和麓爨守遥方程，您攘于入鸯| 竞予主 要不是被熬振动声子浙敝射，雨是被受激豹相干声予所散射，箕过程可麓述如下： 最初一个入射相干光子与一个热振动声子碰撞，产生了一个斯拖克斯光子，同时 增添一个熙激声予，增添的受激声子鞲与入射光予相碰撞，又增加一个受激声予， 蠢雾孪又产熏一个麓援尧赫巍子，这稃蓬复下去，形成一令产生受激声予爨雪麓遘 程，如图2 2 2 所示。予是，所产生的斯托克斯光强极高，足以与