1bra调研报告

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1、基于等离子体的背向拉曼散射放大技术文献调研报告李钊历-JLZ-—、刖目自激光问世开始，激光的强度和功率一直在不断增加。随着调Q、锁模、CPA等技术的发明和应用，激光的聚焦强度已从60年代的〜10wW/cm2量级上升到如今的1021〜1022W/cm2量级，高校级激光装置的输出功率普遍可以达到TW级甚至PW级，激光的脉宽也从最早的ms量级被压缩到如今的fs量级。超高功率超短脉冲激光技术的发展，在实验室中创造了前所未有的极端物态条件，如高电场、强磁场、高能量密度、高光压和高的电子抖动能量、高的电子加速度，这种极端的物理条件，目前只有

2、在核爆屮心、恒星内部、星洞边缘才能存在。在它和物质的相互作用中，产生了高度的非线性和相对论效应，产生了崭新的物理学领域，也为多个交义学科前沿研究领域带来了历史性的机遇和拓宽发展的空间，在尾场加速、聚变快点火、X-ray激光、THz产生等领域，超高功率激光器均有着极其重要的应用。然而，依靠CPA技术提高激光强度需要提高衍射光栅的尺寸，这将导致光栅的制造成本大幅增加，而以目前的技术也只能制造出lm量级的光栅，这己经成为CPA技术的一个主要瓶颈，严重制约了激光强度的进一步提高。有基于此，目前提出了多种可替代CPA技术的下一代激光产生方

3、案，而基于等离子体介质的背向拉曼散射放大技术(StimulatedRamanBackscatterAmplification)正是其屮之一。二、拉曼背向散射放大技术的基木原理当两束光波在等离子体中相向传播时，两束光波在相遇吋如果满足一定的条件，一束光的能量会耦合到另一束光中，这就是后向拉曼散射放大(backwardRamanamplifier)技术。能量的物理传输过程可以简卑的认力是，等离子体吸收了能量为hwpwmp的一个光子(称之为泵浦光)，在另一束频率的光(称之为种子光)的诱导下，等离子体发射出能量为hwseed的相干光子，

4、同吋剩余的能量转化为等离子体屮的朗缪尔波，如图1所示。由能量守恒和动量守恒，这一过程应满足：wpump=wseed+wpe9pump=kseed+kpe其屮朗缪尔波的频率=4ne2ne/me+3vt2he/^e。pumpbeamseedpulseamplifiedpulsedepletedpump1等离子体中的后向拉曼放大过程除了背向拉曼散射放大外，三束波还可能进入超辐射放大(superradiantamplification,SRA)的领域，这时拍频产生的有质动力支配了静电力，驱动出瞬态等离子体光栅，将泵浦波反射成种子波，这吋

5、频率条件不需要完全满足[11,22]。从BRA转向SRA的阈值条件为wb〉wp,wb=通过解麦克斯韦方程并经过适当的化简后，我们可以得到等离子体中三个波相互作用的耦合方程，称之为三波方程[1]:^~t+C^+Vl)ai=Ka2a3(dd\dCcd^+V2)a2=~Ka^3(瓦+u3)a3=-Kara式中al、a2为泵浦波和种子波的矢量势包络，以mec2/2e=2.5*10sV为单位，a3为朗缪尔波的矢量势包络，以为单位，K=y^；/2,％为各自波的阻尼因子。在线性区域内，由三波方程可知，种子脉冲的幅度呈指数形式增长，线性化增

6、长率为丫=同时脉冲随时间展宽，因为脉冲峰值的传播速度为c/2而脉冲前沿的传播速度为c[l]。在非线性领域，三波方程有一个自相关解（忽略阻尼项）［1］:其中ai=a（）cos¥,a2=92u9u1+—*-=sinudzzdzzdu念，a3=V2aosinp=z/c+t,t=aoK2t,z=2界。当a2的初始积分振幅远远小于1时，该方程可以推出:max

7、a2

8、V2t201aMKz=>max{

9、a2

10、T}7T其中T为种子脉冲第一个峰的宽度。可见，非线性区域中种子脉冲的振幅随时间（或者严格的说，随有效的放大长度）线性增加，而脉冲宽度随时

11、间（放大长度）成反比的减小［1，4］。三、拉曼放大技术的研宄历史和现状1966年，Maier,KaierandGiordmaine在将红宝石激光束射入CS2气体中时，首次观察到了后向受激拉曼散射产生的斯托克斯光出现强度增加的现象，斯托克斯光的峰值功率可以比泵浦光的功率大出一个量级［5］。1968年，Culver,VandcrsliccandTownsend将红宝石激光射入高压112屮，观察到/超短后向脉冲（3X10-10sec,9755A）的产生，消耗了泵浦能量的很大一部分［6］。1982年,Murray等人提出可以建造一种受激

12、准分子激光脉冲泵浦的拉曼放大和压缩器来进行惯性核聚变，并以大气压力下的甲烷为介质实现了对KrF泵浦源5倍的强度放大和10倍的脉冲展宽，效率达50%,饱和通量近1J人m2,并显著改善了光束的空间质量［7］。在实验中人们发现，在气体和液体中，激光的正向拉曼散射、二次