利用超高能量激光的束交叉能量传递实现激光在等离子体中的多级方向改变

发布时间: 2012-03-28 08:07:21   作者:本站编辑   来源: Nature Physics   浏览次数:

 

  美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、通用原子机构共同在20122月网上出版的《Nature Physics》上发表篇文章。通过束交叉能量传递改变激光在等离子体中的传输方向是非线性光学过程的一个重要例子,这个过程利用了激光-等离子体产生的不稳定性这一优势,已经在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置(NIF)上进行的黑体辐射空腔等离子体实验中得到证明。在这个过程中作用激光束的波长分离技术起到了控制作用,它提供了一种不需通过局部光学设备就可以进行远程瞄准或整合高能激光束的方法。

  通常,激光束可在真空中沿直线传输。等离子体技术则提供了一种改变超高通量(>0.2PW·cm-2)激光方向的方法。利用等离体镜改变超强短脉冲激光的方向就是其中一个例子。本文给出的方法是利用四波非线性光学效应,改变一束激光的能量流方向,进入到第二束激光中。四波涉及到两束激光和两种相关的离子等离子体声波。这个过程的实现可通过调整作用激光的波长进行远程控制。这种激光束作用可将多束激光的能量合并为一束高能量激光,可用来论证通过激光压缩得到超高强度激光的过程。

  当两束或多束高能量激光以不同方向交迭传输时将会发生束交叉能量传递。重叠激光束干涉模式的有质动力压力将会产生一个周期性等离子体密度扰动。产生的折射率(表达式为N=其中ne是电子密度,nc是临界密度)作为一个布拉格散射单元可以改变一束入射激光的方向,将其合并到另一束激光中。在流动等离子体中,当密度波动达到离子声波共振条件时,调制幅度和能量传输达到最大值。通过调整重叠激光的波长可以改变密度扰动的频率,这样就可以控制其接近离子声波时的共振和能量传输的数量。最近,在NIF黑体辐射靶的实验中已经证明了对称腔体爆炸过程,其中通过对束交叉能量传递的双色调制可以仔细控制不同激光椎体之间的平衡,进而实现黑体辐射空腔的直接驱动。

图3  三色束交叉作用过程中激光能量流动的三维模拟。(a六个激光束组(每一个激光束组包含四个独立激光)通过激光进入孔(LEH),然后到达黑体辐射空腔壁框架内区域为模拟区域(b没有束交叉效应的激光传输显示:模拟区域中的激光束组仍然保持独立(c具有束交叉效应的激光传输显示:通过直接或连续束交叉能量传递,周围激光的能量传给了中心激光束组,模拟中30°方向入射的激光束强度最大

 

  这些结果建议一种更为成熟的三色方法,以便在维持两级对称性的同时提高黑体辐射空腔的耦合程度。通过平衡大角度激光(在外面)和小角度激光(在里面)的能量,双色调制进行一次束交叉传递可完成轴对称爆炸。文中提出了一种新方法:通过使用三种可调波长的激光束可产生两次连续的束交叉能量传递。首先,外面的激光能量传递给里面的激光完成轴对称控制,然后,里面激光之间继续进行能量传递,这样就可以避开黑体辐射空腔中容易产生激光等离子体不稳定性的区域。这个方案已在NIF上得到实现,3给出了相关模拟结果,4给出了相关实验结果。三色束交叉能量传递分两步实现:首先,外锥体44.5°50°两激光束将能量传递给内锥体23.5°30°两激光束;然后,内锥体中23.5°的激光束能量传递给30°的激光束。

 

图4  NIF装置上的光学方向散射系统,包括一个探测外层(50°)和内层(30°)激光束组的全口径反向散射系统(FABS)和一个23.5°方向上的近反向散射成像器(NBI)。图像给出了黑体辐射空腔壁的几何结构和散射光的实际测量,通过使用内插法和外推法可以拓展测量缺少的散射金属板区域。激光束的颜色代表三色激光系统。图像还给出了利用硬X射线探测仪得到的9~12keV    X射线喷射

 

王文鹏编译自Nature Physics (2012) doi:10.1038/nphys2239

Multistep redirection by cross-beam power transfer of ultrahigh-power lasers in a plasma

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