[发明专利]展宽高功率强激光频谱的方法

说明书

一种展宽高功率强激光频谱的方法。本发明的具体实施涉及高功率强激光光源以及其产生的光在稀薄等离子体中的传输特性：用于激光自调制的等离子体密度在0.001倍至0.02倍临界密度之间；入射的泵浦光峰值强度在近相对论强度附近。本发明针对所需光强、带宽大小来设计泵浦光峰值强度、等离子体密度、靶的位置，将泵浦光在最佳强度附近入射气体中进行高效率的频率调制。该方法，带宽最大能展宽至100％中心频率以上，可应用于激光惯性约束核聚变的驱动光设计中，是能有效抑制激光等离子体参量不稳定的方案，可以提升激光与靶的耦合效率并减少超热电子的产生。

技术领域

本发明涉及光学领域、激光等离子体相互作用领域、惯性约束核聚变领域，特别是一种展宽高功率强激光频谱的方法。

背景技术

由于普通光学器件的损伤阈值较低，因此很难直接应用于强激光的频谱展宽。现有的技术方法只能将光强小于1×10¹⁵W/cm²的高功率激光的频谱展宽至1％-2％中心频率ω₀的大小，这局限了宽带光的应用。

等离子体是一种已经离化的物质状态，因此没有损伤阈值的限制。正是由于这一独特的性质，使得等离子体光学在近年来得到了迅猛发展。利用等离子体直接调制泵浦强激光，将其频谱展宽可达100％ω₀以上，是非常有前景的技术。宽频强激光可用于光梳、新型辐射源、激光等离子体电子加速、高能量密度物理以及惯性约束核聚变等多个领域，其中最为可观的是用作惯性约束核聚变中的驱动光源。

惯性约束核聚变有两种主要的方案：直接驱动和间接驱动。其中直接驱动是用激光直接辐照靶丸，通过烧蚀靶面的燃料产生快速膨胀的等离子体，从而压缩靶丸实现点火。在这一过程中，激光主要与靶丸冕区的等离子体进行相互作用。间接驱动是利用激光与黑腔壁作用产生的X射线来烧蚀靶丸。这一方案的激光等离子体作用较为复杂，其中的主要过程是激光与黑腔中的低密度气体相互作用。由此可见，激光等离子体相互作用在激光核聚变中是不可避免的。

高功率激光与等离子体的相互作用会激发多种参量不稳定，例如受激拉曼散射(SRS)，受激布里渊散射(SBS)以及双等离子体衰变(TPD)。这些不稳定机制会损失大部分的激光能量，产生大量的高能电子预热靶丸，从而破坏靶丸的压缩对称性。因此，激光等离子体参量不稳定被认为是阻碍惯性约束聚变点火的关键因素之一。

为了抑制参量不稳定的发展，已有多种方案被提出，例如外加强磁场，利用不连续的激光脉冲链作为驱动源，以及展宽驱动光的频谱。其中抑制效果最佳，物理机制最清晰，构型最具可行性的是使用宽带驱动光。现阶段由于激光调控的技术问题，大多数方案仍只停留在理论层面，其中高功率宽带光的产生是关键的技术瓶颈。

由此可见，发明一种能够有效展宽高功率激光频谱的方法对于实现激光受控核聚变非常关键。现有的技术只能将激光带宽提升至2％ω₀以下，这还远远达不到完全抑制参量不稳定的带宽大小，因此在实际应用中存在很多缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种展宽高功率强激光频谱的方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种展宽高功率强激光频谱的方法，该方法是基于高功率强激光在毫米级气体等离子体中的自调制作用，包括能产生峰值光强10¹⁶W/cm²至10¹⁹W/cm²的高功率激光器及密度均匀的气体靶，该方法可在神光II升级等多个装置上进行，包括以下步骤：