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非本征模式:受激拉曼散射新机制(HPL, 2020, e21)

发布:RuiChaoDong    |    2020-11-19 23:11    阅读:365
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High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期论文:

Yao Zhao, Suming Weng, Zhengming Sheng, Jianqiang Zhu. Stimulated Raman scattering in a non-eigenmode regime[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(2): 02000e21

       受激拉曼散射(SRS)在激光物理、惯性约束聚变(ICF)以及等离子体光学等领域中都是重要的研究课题。在激光等离子体相互作用过程中,当入射光强超过一定的激发阈值后,会在等离子体中产生电子等离子体波和散射光。SRS的基本物理过程满足三波共振匹配,即波的能量和动量保持守恒。SRS可以产生散射光,可用于种子光的拉曼放大。但在惯性约束聚变中,散射光会传出等离子体,从而降低泵浦光的转换效率。

       对SRS参量过程的认识一直停留在本征模式的激发上。本征模式是电子等离子体波的固有模式,它与外在的驱动源无关,其频率称为本征频率。一般的非线性振动都源自驱动源与物体中本征模式发生的匹配,然后被共振放大。

       当驱动强度很大时,会激发所谓的“准模”,“准模”的频率与入射光的强度有关。一般认为,SRS只能发生在0.25nc(临界密度)以下,这是因为本征模式只能在这一密度区域内激发。

       近日,中科院上海光机所高功率激光物理国家实验室的研究人员发现,当入射光强度大于一定的阈值时,其会在0.25nc以上的密度区域激发非本征静电模,这不同于一般的准模机制。同时,产生的静电波和散射光的群速度都为0,因此可以在等离子体中形成电磁孤子和静电孤子。这一过程会极大地损耗泵浦激光的能量,同时产生大量的超热电子。

       研究人员从理论分析和数值模拟两个方面介绍了这一新的SRS机制,结果高度吻合。这一机制的提出不仅对于非线性物理的研究具有推动作用,还能帮助研究人员认识和抑制ICF中的激光等离子体参量过程。研究结果发表在High Power Laser Science and Engineering2020年第2期上。

图1. 非本征静电模式的激发。等离子体密度ne = 0.26nc。当入射光幅度a0 = 0.04时,由于没有达到激发非本征SRS的阈值,在图(a)中看不到明显的不稳定模式。当入射光幅度提升至a0 = 0.046时,可以在图(b)中发现非本征静电模式(kec, ωe) = (0.86, 0.5) ω0,其对应的散射光波矢分布如图(c)所示(kec, ωe) = (0.86, 0.5) ω0。图(d)说明,非本征静电模可以产生大量的超热电子。

该课题组不久前提出了SRS在大尺度非均匀等离子体中通过级联散射激发绝对SRS模式的机制[1],这一机制能够在大范围的等离子体中激发很强的绝对不稳定,从而产生大量的超热电子。非本征SRS就是非均匀等离子体中的一种绝对模式,因此,这一模型能够帮助研究人员分析ICF中激光的能量损失份额与光强的关系。

       为了有效地抑制激光等离子体参量不稳定,该课题组近来提出了宽带解耦激光束在非均匀等离子体中激发参量不稳定的模型,并研究了多频光束对对流SRS、对流受激布里渊散射(SBS)以及双等离子体衰变(TPD)的抑制阈值[2]。而非本征SRS模型可以给出多频光束抑制绝对SRS的阈值,这对全面认识带宽的抑制效应非常重要。

       该课题组最近提出的利用低密度等离子体调制高能量强激光的方案[3],可以高效地展宽泵浦光频谱,有望抑制ICF中的参量不稳定过程,是具有广泛应用前景的研究成果。

       该项工作得到了上海市扬帆计划(19YF1453200)、青年科学基金(12005287)和中科院先导A(XDA25050800)等项目的大力支持。

消息来源:两江科技评论

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