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1、第11卷 第2期强激光与粒子束Vol.11,No.21999年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,1999文章编号:1001—4322(1999)02—0129—05利用受激布里渊散射脉冲压缩效应X获得高功率激光输出魏晓峰, 袁晓东, 丁 磊, 郑万国, 叶金祥, 满永在(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,激光技术工程部,成都525信箱80分箱,610003) 摘 要:讨论了利用受激布里渊散射效应实现高功率激光脉冲压缩的基本原理,并做了相应的数值摸拟计算。利用星光Ê装置进行了脉冲压缩的原理性实验,获得了约60%的能量转换效率和近4倍的压缩比
2、。 关键词:受激布里渊散射; 脉冲压缩; 高功率激光 中图分类号:O571133;TN241;O43712文献标识码:A 激光惯性约束聚变(ICF)通常要求将纳秒级的高功率激光脉冲作用到靶上。目前的ICF驱动器大多采用直接将短脉冲在放大器中传输放大,而这种短脉冲激光在传输中容易受自聚焦、自相位调制以及光破坏的影响,而限制单路激光输出能量的提高。一般的解决措施是插入低通空间滤波器等滤波、整形元件或者适当增大激光器口径、降低功率负载等,但这些措施会使激光器规模庞大,造价昂贵。[1] 利用受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩技术获得高功率激光输出,即利用长脉冲(几十上百纳秒)的激光在放
3、大器链中传输,充分提取放大器的储能,然后在输出端利用布里渊介质的非线性特性进行激光脉冲压缩,以获取高能量的短脉冲高功率激光输出。由于受激布里渊散射[2](SBS)具有相位复共轭、脉宽压缩、频移量小、转换效率高和背向发射等特点,可有效地提高放大器储能的提取效率和脉冲能量,再压缩脉冲宽度可提高激光的输出功率并且有效地改善光束质量。这可大大减小激光器的规模,降低造价,大幅度提高激光系统的性能价格比。1 脉冲压缩的基本原理和数值模拟[2]D.T.Hon首先从理论上和实验上证明了利用SBS实现高效激光脉冲压缩的可能性。当激光束以一定的形式(例如采用汇聚光束或以锥形波导)入射到SBS介质中时,在
4、强度超过SBS阈值处,由于电致压缩效应,将引起超声振荡,形成超声光栅,对激光进行反射,入射激光与声子场耦合,将会产生背向的Stokes散射光。在另一种情况下,当入射激光强度达不到阈值时,向介质中注入适当能量的Stokes种子光,这样Stokes波、声波与入射激光场相互作用,将导致激光能量向Stokes波转移。在Stokes波放大的过程中,脉冲前沿由于增益饱和效应而上升很快,因此,在脉冲得到完全放大后,激光脉冲能量几乎全部转移到了一个很窄的背向脉冲中,从而实现脉冲压缩,其过程如图1所示(以锥形波导为例)。 若忽略热效应,从Maxwell方程和流体力学的Navier2Stokes方程出
5、发,可导出描述SBS过程的动力学方程X国家863惯性约束聚变领域资助课题1998年12月12日收到原稿,1999年2月5日收到修改稿。魏晓峰,男,1960年5月出生,副研究员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.130强激光与粒子束第11卷515kp5E+Ap=iQAs(1)5zc05t4Ep5Q515ks5E3-+As=iQAp(2)5zc05t4Es5Q2Ts52551qQ05E3QNi2+++Q=iApAs+(3)4P5tTR5t5tSR2cs8P5QSR 上式遵循了以下守恒定律:8=Wp
6、-Ws,q=kp+ks,c0是介质中光速,E是介电常数,cs是声速,Ts=2Pö8=Kpö2cs是2超声振荡周期,TR=(2Q0öq)A是超声弛豫时间,Q0为介质密度,A为与介质粘滞度和热传导有关的磨擦系数。在(3)式中,由于声速远小于光速,左边忽略了空间项(即与z的积分项),而在右边加上了自发辐射引起的噪声项QNöSR;Ss,Sp分别为Stokes光和泵浦光的宽度,Sp与Ss有下述三种情况:(1)强瞬态情况:min(Sp,Ss)≤Ts,声场方程为式(3)。Fig.1ProcessofSBSpulsecompression(2)瞬态情况:min(Sp,Ss)≤TR,这时inconew
7、aveguide声场方程简化为图1 锥形波导中的SBS压缩过程示意图51qQ05E3QN+Q=iApAs+(4)5tTR2cs8P5QTR(3)准稳态情况:min(Sp,Ss)≥Ts,TR,声场方程简化为qQ05E3Q=iTRApAs+QN(5)2cs8P5Q 在没有从外部注入Stokes光的情况下,Stokes光是由背向散射光形成的。由各种情况下的声场方程,配合适当的边界条件,就可以求得SBS脉冲压缩过程的数值解。 为了更好地认识高功率激光条件下的S
