王琛 安红海 熊俊 方智恒† 季雨 练昌旺 谢志勇 郭尔夫 贺芝宇 曹兆栋 王伟 闫锐 裴文兵

1) (中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所,上海 201800)

2) (中国科学技术大学近代力学系,合肥 230026)

激光等离子体相互作用(LPI)是激光等离子体相关研究中的重要内容,皮秒激光的出现为在皮秒时间尺度内更加细致地研究LPI 过程提供了可能.LPI 相关的时间尺度通常是皮秒量级的,这一研究有望从更精细的角度来获得认识.依托神光-Ⅱ升级及皮秒激光装置,开展了皮秒激光驱动LPI 的实验研究.实验给出了背向受激布里渊散射(SBS)的积分光谱,其中除了真正的背向SBS 成分,还包含大量的皮秒激光和纳秒激光引入的干扰信号.纳秒激光引入的干扰信号可以消除,但皮秒激光引入的干扰信号无法从实验角度消除,这势必会影响到对背向SBS 真正份额的估计.结果显示,在不同的实验条件下,背向SBS 散射能量在总的记录信号中,占比可能还不到一半.这一结果有助于对先前相关实验数据的进一步理解和再认识.

1 引言

激光等离子体相互作用(LPI)是激光等离子体相关研究中的重要内容,是关系到惯性约束聚变(ICF)点火成败的关键问题之一,需要仔细研究[1−3].在间接驱动中,驱动激光需要在腔内等离子体中传播数毫米到厘米量级的距离才能到达腔壁,期间会发生强烈的LPI,包括受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等过程.这些过程会浪费驱动能量、扰乱腔内等离子体分布、预热靶丸等,直接影响内爆效果.而在直接驱动中,另一种过程—双等离子体衰变(TPD)成为不可忽视的角色,LPI 仍然是重要的问题[4−6].

为了抑制LPI 的增长,包括美国里弗莫尔国家实验室(LLNL)在内的全世界多家实验室进行了数十年的研究,开展了大量的理论和实验研究工作[7−14].尽管如此,国家点火装置(NIF)的实验中产生的背向散射仍旧远超预估数值.表明目前对LPI 的认识仍是远远不够的,仍需要进一步开展细致的研究.多年来的研究主要集中在纳秒激光驱动的条件,然而SBS,SRS 等LPI 过程的发生、发展的时间尺度均为皮秒量级,在纳秒较长的尺度下,研究的是综合效果.对于高度非线性的LPI 过程,综合效果可能难以反映真实的物理规律.

近些年,随着啁啾脉冲放大(CPA)等技术的发展,皮秒或飞秒超短脉冲激光装置建立起来[15,16],这为更细致地研究LPI 过程提供了可能.在皮秒时间尺度内,相关LPI 过程经历了发生、发展、饱和等过程,皮秒激光的时间与之相匹配,可望获得更微观和细致的结果,对于进一步理解相关LPI的发展过程具有更好的条件[17].Rousseaux 等[18,19]多年来一直持续地开展皮秒激光驱动LPI 的研究,他们首先利用数百皮秒的长脉冲激光辐照百纳米的CH 薄膜靶产生大尺度等离子体,其后,1—2 ps左右的激光注入,诱发LPI,在背向、前向等测量SBS,SRS 等散射信号.实验中发现,SBS 和SRS的发生阈值明显升高,并且强度随着功率密度的提高而增加,到1017W·cm–2以后逐渐进入饱和.其后,为更准确和细致地研究LPI 相关过程,他们专门发展了基于皮秒激光探针的汤姆逊散射技术,通过直接测量等离子体中的波来研究SBS 和SRS 的发展规律[20].利用该方法,还研究了侧向散射、多光束LPI 相互影响现象等,获得了一系列重要的进展[21,22].但整体来说,此类研究还太少.

基于神光-Ⅱ升级及皮秒激光装置,建立了皮秒激光驱动LPI 的实验研究平台,并开展了相应的实验研究.针对背向SBS,进行了仔细的研究,发现在测量到的背向信号中,除了真正的背向SBS信号,还存在明显的来自于驱动激光的干扰信号.对这些不同来源成分的甄别对于细致了解SBS 等过程非常重要.

2 皮秒激光驱动背向SBS 实验

皮秒激光驱动LPI 的实验基于神光-Ⅱ升级与皮秒激光装置开展,基本方案如图1 所示.首先利用神光-Ⅱ升级装置的一路纳秒激光驱动平面薄膜靶产生等离子体,在数纳秒的时间尺度内,等离子体膨胀形成数毫米的大尺度等离子体;在适当的时刻,神光-Ⅱ装置的皮秒激光束注入,与大尺度等离子体相互作用,诱发SBS 和SRS 等LPI 过程.本文主要关心背向SBS 散射,采用漫反射板的方法进行诊断.

图1 皮秒激光驱动的背向SBS 测量方案示意图Fig.1.Schematic diagram of backward SBS measurement scheme driven by a picosecond laser.

利用漫反射板来测量散射信号是一种常规的方法,已经过多年验证,在NIF 等装置上已经成为常规的诊断技术[23].漫反射板是一种表面经过特殊处理的平板,光束照射在漫反射板上,发生漫反射,漫反射的波谱不变,强度则按照特定的规律分布,因此通过在特定的方向上记录漫反射的信号,经过标定和后期处理,就可以得到入射光束的波谱、能量等信息.

在实验中,漫反射板放置在皮秒激光的压缩室后面.皮秒激光在靶位大尺度等离子体处诱发的背向SBS 散射沿着皮秒激光的光路反向传播,依次经过离轴抛物面镜反射、压缩室中最后一块伺服反射镜透射、压缩室后窗口透射后,照射到漫反射板上.在漫反射板之前,设置有光纤头对着漫反射板被照射的区域,背向SBS 信号被光纤头收集后,连接到光谱仪,进行光谱信息的记录.

实验中采用三明治结构的平面靶,如图2(a)所示,三层分别为Al,C8H8和Al,厚度分别为100,2000 和100 nm.纳秒激光选用神光-Ⅱ升级装置的第5 路单束激光,波长351 nm(三倍频),脉宽约1.2 ns,每束能量约600—800 J,以连续相位板(CPP)匀滑的方式聚焦在平面靶上,焦斑约Φ600 µm,靶面功率密度约1014W·cm–2.皮秒激光利用神光-Ⅱ升级装置的第9 路皮秒激光束,波长约1053 nm,脉宽约8 ps,能量30—50 J,以离焦方式注入平面靶位置,离焦后的焦斑约Φ200 µm,靶面功率密度约 5×1015—8×1015W·cm–2.激光入射结构及焦斑示意图如图2(b)和图2(c)所示.

图2 实验用靶 (a)三明治结构;(b)光路示意图;(c)焦斑示意图Fig.2.Schematic diagram of experimental targets:(a) Sandwich structure;(b) target and driving laser;(c) focal spots of lasers.

3 典型的背向SBS 光谱

SBS 是一种三波耦合的过程,是入射光子在等离子体中离子声波上近乎弹性的散射,因此散射光的波长与入射光基本相当.在本实验中,入射光是基频,即波长1053 nm,因此SBS 散射信号的波长也在1053 nm 附近.实验中采用PI 公司的高分辨光栅谱仪SCT320 进行测量,选用1200 线对光栅,记录采用PI 公司的PIXIS:400 BR 型号的CCD,对应的光谱测量范围为 (1030—1075)nm.在光栅谱仪完好调整,并且狭缝宽度在10 µm 的条件下,在1053 nm 附近,测量的谱分辨可达每像素0.033 nm.但在具体实验中,为了获得更强和更稳定的信号,光栅谱仪的狭缝故意开大到约1 mm(相当于全开).这会导致实际的光谱分辨率变差,相应的谱峰会加宽,光谱仪波长位置的定标也会相应变差.

图3 是实验中获得的典型背向SBS 光谱,对应的驱动条件是第5 路纳秒激光波长351 nm,脉宽约1.2 ns,能量约670 J,第9 路皮秒激光波长1053 nm,脉宽约8.2 ps,能量约30.3 J,皮秒激光落后纳秒激光后延1.5 ns.可以看出,有效信号主要集中在 (1048—1058)nm 之间,其他区域无明显的信号痕迹.这个光谱形状比较奇怪,与传统的背向SBS 光谱不同,也与文献中的不同[11],其中可能包含了不同的成分或来源.经过仔细分析和多次迭代,对光谱的结构和成分进行了分解和溯源.通常激光的光谱形状接近高斯型,因此以高斯函数进行拟合.标准的高斯函数为

其中a为信号峰强度,b为本底水平,x0为中心峰值的位置,σ为标准差.对应到拟合的光谱中,a为光谱峰值强度,b对应本底噪声,x0是中心波长,峰值的半高全宽τ与标准差σ直接相关:τ2.355σ.

图4(a)是针对图3 光谱进行分解和拟合的结果,可以看出,整个光谱可以被分为三部分,分别采用高斯函数拟合,可以得到三个不同宽度和峰值的高斯函数,如图4(a)所示,分别记作P1(绿色方块标记)、P2(蓝色正三角标记)和P3(红色实心圆标记).图4(b)给出了实验数据曲线(黑色空心圆标记)与三部分之和(P1+P2+P3)的曲线,可以看出,两者符合得非常好,仅在中间交界的区域略有差异,如图中蓝色虚线圈所示.这表明,这一分解和拟合基本上是合理、可信的.

图3 皮秒激光诱发的背向SBS 光谱Fig.3.Integrated spectroscopy of backward SBS induced by a picosecond laser.

图4 背 向SBS 光谱的 成分分 解 (a)分解为 三部分;(b)三部分之和与实验数据比较Fig.4.Component decomposition of backward SBS spectrum:(a) Decomposed into three parts;(b) sum of the three parts and the experimental data.

4 对光谱中三部分的来源分析

表1 列出了针对光谱中三部分的高斯拟合的参数,可以看出,显著的差异在于中心波长x0和半高全宽τ.

表1 图4 中各部分高斯拟合曲线参数Table 1.Gaussian fitting curve parameters of each part in Fig.4.

对于P1,中心波长1053.4 nm,光谱半高全宽约0.39 nm.结合实验的条件,我们认为这是由用于产生大尺度等离子体的神光-Ⅱ升级装置的纳秒激光引起的.神光-Ⅱ升级装置的纳秒激光中心波长约1053 nm,带宽约0.3 nm.考虑到一般情况下驱动激光的实际运行波长可能与1053 nm 有一定的偏差,同时光栅谱仪狭缝全开导致的谱分辨率变差和波长校准的偏差,在一定的误差范围内,两者还是比较接近的.用于产生等离子体的纳秒激光采用的是三倍频激光,但由于采用了楔形透镜的终端系统,仍有大量剩余的基频和二倍频激光进入靶室内部.这些无用的基频和二倍频激光在靶附近与三倍频激光略微偏离,不会影响正常的实验.但这些光有可能照射到靶室内壁、底板、元件支架等处,产生一定的噪声背景,如果恰好有一部分进入到了背向散射的测量光路,就可能被记录下来.

对于P2,中心波长1053.3 nm,光谱半高全宽约4.4 nm.这是一个带宽较宽的峰,与实验中用于相互作用的第9 路皮秒激光的参数是类似的.第9 路皮秒激光中心波长约1053 nm,带宽约3—4 nm.同样考虑到驱动激光实际波长、光谱仪狭缝全开、波长校准偏差等因素,两者还算基本符合.这表明P2来源于皮秒激光.另外,如图2(c)所示,靶的横向尺寸比焦斑大得多,因此P2部分记录的是从靶上原路返回的信号.皮秒激光斜入射辐照平面靶,因此不存在直接的反射光,可能的来源包括在等离子体临界面上的反射,或者是波长变化很小的SBS 散射等.

对于P3,中心波长1050.2 nm,光谱半高全宽约1.3 nm.中心波长发生了明显的改变,蓝移约3 nm,半高全宽也发生了显著的变化,在驱动激光中找不到类似的成分,因此可以明确地认定这一部分是皮秒激光与大尺度等离子体相互作用产生的背向SBS 信号.

事实上,利用高斯函数来进行谱成分的拟合可能存在一定的问题.对于上述P1,P2部分分别来源于本就是高斯型的纳秒和皮秒激光,利用高斯函数来拟合是合适的.但是SBS 来源于激光与等离子体的非线性相互作用,光谱结构通常非常复杂,采用高斯函数拟合未必合适.从具体结果来看,采用高斯函数拟合P3,造成了P1,P2和P3三部分之和与实验数据之间存在的差异(图4 蓝色虚线圈部分).更准确的方式应该是利用高斯函数拟合P1,P2,然后利用实验数据减掉这两部分来获得纯粹的SBS 信号.原则上,这会对SBS 信号能量份额的估计有所影响,但可以看出这一差异其实非常小,基本上可以忽略.

5 进一步的实验

图5 是一个简易的靶室内激光光束分布示意图,图5(a) 为沿水平方向从南向北看的侧视图,图5(b) 为从上向下看的俯视图.其中第9 路皮秒激光束位于靶室赤道面上,离轴抛物面镜聚焦从西偏北21°水平入射,F# 约2.7;第5 路纳秒激光光束位于靶室赤道面,与赤道面夹角40°斜向下入射,西偏北22.5°入射,基本上位于第九路的上方,F#约7.2.在靶室内部赤道面下方约400 mm 的位置装配有底板,为了保证多路入射激光光路的畅通,相应位置的底板是可拆卸的.同时,在各路入射激光对面窗口设置专门的吸收玻璃来吸收入射激光中剩余的基频、二倍频激光,从而减小在靶室内部产生的背景噪声.然而实验采用的纳秒激光是第5 路,从上方入射,由于需要在底板上放置诊断一些设备和元件,第5 路对应的底板并没有拆掉.由于底板在第5 路激光聚焦打靶之后,被认为并不会对实验产生影响.从图1 可以看出,背向散射需要经过很长距离的传输,才能进入压缩室后的漫反射板,进而被记录到.因此,只有经过靶点附近并进入离轴抛物面镜准直后的光才有可能长距离传输到达漫反射板,即如图5 中所标示的红色区域.而第5 路激光中剩余的基频和二倍频激光辐照在底板上,散射出的光会照亮靶室内的支架和内壁,其中可能会有部分光进入背向散射的收集系统,进而形成纳秒激光的干扰信号,即光谱中的P1成分.

图5 靶室内激光光束分布示意图 (a)侧视图;(b)俯视图Fig.5.Schematic diagram of laser beam distribution in the target chamber:(a) Side view;(b) top view.

为此,考虑对方案进行改变,选用第2 路激光作为驱动产生大尺度等离子体的纳秒激光进行实验.第2 路纳秒激光从靶室赤道面下方入射,与赤道面夹角40°,西偏南22.5°入射,F# 约7.2,与第5 路相比,除了上下入射方向不同,对于法线正西的平面靶来说,入射角度是一致的.第2 路纳秒激光从下方入射,因此相应的底板必须拆卸,光路中没有阻碍,剩余激光直接进入吸收玻璃被吸收.

图6 是利用第2 路纳秒激光驱动产生大尺度等离子体获得的皮秒激光背向SBS 光谱,对应的驱动条件是第2 路纳秒激光波长351 nm,脉宽约1.2 ns,能量约850 J,第9 路皮秒激光波长1053 nm,脉宽约7.8 ps,能量约44.5 J,皮秒激光落后纳秒激光后延1.5 ns.与图3 和图4 的实验结果相比,驱动激光的能量略高,其他条件相似.同样,有效信号主要集中在 (1048—1058) nm 之间,但与图4 存在明显的差异,即位于1053 nm 附近的窄峰P1消失了.这表明前文对P1来源的分析是合理的,即P1来自于驱动大尺度等离子体的纳秒激光中的剩余基频激光在靶室中的残留背景.图6 中同时给出了各部分的拟合曲线,参数如表2 所列.与表1 相比,在中心波长、半高全宽方面,P2,P3基本一致,表明他们的来源与图4 的实验是一致的.

图6 利用第2 路作为纳秒激光驱动的背向SBS 光谱及成分分解Fig.6.Component decomposition of backward SBS spectrum driven by 2# nanosecond laser.

表2 针对图6 第2 路纳秒激光实验的各部分高斯拟合曲线参数Table 2.Gaussian fitting curve parameters of each part using 2# nanosecond laser shown in Fig.6.

6 对结果的简单分析

图4 和图6 对应的实验驱动能量略有差异,对光谱进行能量归一化处理,即光谱强度除以对应的皮秒激光能量,结果如图7 所示.可以明显看出,除了纳秒激光引起的很窄的尖峰(即P1成分)外,在1053 nm 附近,光谱非常接近,即分解后的P2成分基本相当,而同时蓝移的峰(即P3成分)则差别较大.SBS 是一种非线性过程,受各种不确定因素影响,每发次之间实验数据的跳动是很正常的,P3成分符合这一点,表明P3成分是完全来自背向SBS,是“纯粹”的背向SBS 信号.而P2则非常稳定,与入射皮秒激光能量成线性的关系,说明P2主要是来自皮秒激光在靶等离子体上的反射,其中也可能包含波长变化很小的SBS 部分,但份额非常小.也就是说,P2对于背向SBS 来说基本上属于干扰的噪声信号,但这一部分信号却无法采用实验的手段消除.

图7 经过能量归一化的光谱,分别利用2#和5#纳秒激光Fig.7.Energy normalized spectra driven by 2# and 5#nanosecond laser respectively.

可以分别计算一下各成分的强度,这里去除可以通过改变靶室内条件消除掉的P1成分,只考虑皮秒激光带来的干扰信号P2和背向SBS 信号P3.对于图4 发次,拟合后的P2和P3对应的计数和分别是299120 和309448,即P3占总和的50.8%;对于图6 发次,拟合后的P2和P3对应的计数和分别是415047 和272709,即P3占总和的39.7%.可以看出,“纯粹”的背向SBS 信号,即P3部分,其实在测量到的总的背向信号中的比重并不高,有时甚至不到一半.在本实验中,恰好选择了纳秒激光辐照平面薄膜靶这种构型来产生大尺度的等离子体,等离子体会向靶两侧持续膨胀,作为相互作用的皮秒激光注入时,遇到迎面而来的等离子体,相互作用产生的背向SBS 受到多普勒效应的影响而发生蓝移.SBS 信号(P3)发生蓝移,而作为皮秒激光噪声的P2不蓝移,使得P2和P3信号可以分离,进而能够比较准确地给出背向SBS 的份额.但在更普遍的情况下,背向SBS 会和干扰信号混杂在一起,即P2和P3信号混在一起,无法分离.如果把测量到的激光波长附近的背向信号全部算为有效的背向SBS 散射信号,并不能反映实际的背向SBS 信号的份额,这无疑将对实验的理解产生巨大的影响.因此在对待背向SBS 散射测量数据时,必须仔细地加以分析.

对于完全来自背向SBS 的P3来说,一个显著的特点是中心波长发生了蓝移.蓝移的可能原因是皮秒激光注入时,大尺度等离子体存在明显运动而引起的多普勒效应.蓝移对应等离子体迎面而来.在实验中,纳秒激光辐照薄膜靶,在其后的纳秒时间尺度内,产生的等离子体分别向两侧膨胀,皮秒激光在1.5 ns 之后从一侧注入,恰好遇上膨胀的等离子体相互作用,发生蓝移的SBS.另一个特点是P3的光谱峰的半高全宽只有 1.3—1.4 nm,比入射的皮秒激光的半高全宽4.3—4.4 nm 要窄得多.表明其发生的区域其实是比较窄的,那么具体发生区域密度是多少,离子声波频率是多少? 以及峰值蓝移对应的等离子体的流速是多少等? 这些问题涉及到的因素比较复杂,需要配合数值模拟进行深入的研究,这也是下一步需要开展的主要工作之一.

值得注意的是,上述实验中,皮秒激光驱动对应的功率密度均在5×1015W·cm–2甚至更高,这一数值比ICF 研究感兴趣的功率密度条件高得多.通常情况,对于基频激光驱动来说,功率密度在1014W·cm–2,就能够激发出很强的背向SBS.具体实验中,也进行了几乘1014W·cm–2等功率密度的实验,但信号很弱或淹没在噪声中.表明利用皮秒激光驱动可以显著地提高背向SBS 的发生阈值,与Rousseaux 等[21]的结果也一致.本实验的结论可能无法直接应用于ICF,但对时间尺度相当的皮秒激光LPI 的研究,将有助于更深入、细致地研究SBS 等LPI 过程的基本原理和规律.

7 结论

基于神光-II 升级与皮秒激光装置,开展了皮秒激光驱动LPI 的实验研究.实验中获得了背向SBS的光谱信息,经过仔细分析,认识到其中包含了多个来源不同的成分,并确定了不同的来源.结果表明,有效的背向SBS 信号在测量到的背向信号中份额占比并不高.背向信号中还包含有来自皮秒激光引起的干扰信号,且难以通过实验的方式去除.这一发现对于更好地理解先前的相关背向SBS 等LPI 实验的结果,具有很好的参考价值.

感谢神光-Ⅱ升级及皮秒装置全体运行人员的大力协助.