皮秒激光驅動下的背向受激布里淵散射的光譜結構*

王琛 安紅海 熊俊 方智恒? 季雨 練昌旺 謝志勇 郭爾夫 賀芝宇 曹兆棟 王偉 閆銳 裴文兵

1) (中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所,上海 201800)

2) (中國科學技術大學近代力學系,合肥 230026)

激光等離子體相互作用(LPI)是激光等離子體相關研究中的重要內容,皮秒激光的出現為在皮秒時間尺度內更加細致地研究LPI 過程提供了可能.LPI 相關的時間尺度通常是皮秒量級的,這一研究有望從更精細的角度來獲得認識.依托神光-Ⅱ升級及皮秒激光裝置,開展了皮秒激光驅動LPI 的實驗研究.實驗給出了背向受激布里淵散射(SBS)的積分光譜,其中除了真正的背向SBS 成分,還包含大量的皮秒激光和納秒激光引入的干擾信號.納秒激光引入的干擾信號可以消除,但皮秒激光引入的干擾信號無法從實驗角度消除,這勢必會影響到對背向SBS 真正份額的估計.結果顯示,在不同的實驗條件下,背向SBS 散射能量在總的記錄信號中,占比可能還不到一半.這一結果有助于對先前相關實驗數據的進一步理解和再認識.

1 引言

激光等離子體相互作用(LPI)是激光等離子體相關研究中的重要內容,是關系到慣性約束聚變(ICF)點火成敗的關鍵問題之一,需要仔細研究[1?3].在間接驅動中,驅動激光需要在腔內等離子體中傳播數毫米到厘米量級的距離才能到達腔壁,期間會發生強烈的LPI,包括受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等過程.這些過程會浪費驅動能量、擾亂腔內等離子體分布、預熱靶丸等,直接影響內爆效果.而在直接驅動中,另一種過程—雙等離子體衰變(TPD)成為不可忽視的角色,LPI 仍然是重要的問題[4?6].

為了抑制LPI 的增長,包括美國里弗莫爾國家實驗室(LLNL)在內的全世界多家實驗室進行了數十年的研究,開展了大量的理論和實驗研究工作[7?14].盡管如此,國家點火裝置(NIF)的實驗中產生的背向散射仍舊遠超預估數值.表明目前對LPI 的認識仍是遠遠不夠的,仍需要進一步開展細致的研究.多年來的研究主要集中在納秒激光驅動的條件,然而SBS,SRS 等LPI 過程的發生、發展的時間尺度均為皮秒量級,在納秒較長的尺度下,研究的是綜合效果.對于高度非線性的LPI 過程,綜合效果可能難以反映真實的物理規律.

近些年,隨著啁啾脈沖放大(CPA)等技術的發展,皮秒或飛秒超短脈沖激光裝置建立起來[15,16],這為更細致地研究LPI 過程提供了可能.在皮秒時間尺度內,相關LPI 過程經歷了發生、發展、飽和等過程,皮秒激光的時間與之相匹配,可望獲得更微觀和細致的結果,對于進一步理解相關LPI的發展過程具有更好的條件[17].Rousseaux 等[18,19]多年來一直持續地開展皮秒激光驅動LPI 的研究,他們首先利用數百皮秒的長脈沖激光輻照百納米的CH 薄膜靶產生大尺度等離子體,其后,1—2 ps左右的激光注入,誘發LPI,在背向、前向等測量SBS,SRS 等散射信號.實驗中發現,SBS 和SRS的發生閾值明顯升高,并且強度隨著功率密度的提高而增加,到1017W·cm–2以后逐漸進入飽和.其后,為更準確和細致地研究LPI 相關過程,他們專門發展了基于皮秒激光探針的湯姆遜散射技術,通過直接測量等離子體中的波來研究SBS 和SRS 的發展規律[20].利用該方法,還研究了側向散射、多光束LPI 相互影響現象等,獲得了一系列重要的進展[21,22].但整體來說,此類研究還太少.

基于神光-Ⅱ升級及皮秒激光裝置,建立了皮秒激光驅動LPI 的實驗研究平臺,并開展了相應的實驗研究.針對背向SBS,進行了仔細的研究,發現在測量到的背向信號中,除了真正的背向SBS信號,還存在明顯的來自于驅動激光的干擾信號.對這些不同來源成分的甄別對于細致了解SBS 等過程非常重要.

2 皮秒激光驅動背向SBS 實驗

皮秒激光驅動LPI 的實驗基于神光-Ⅱ升級與皮秒激光裝置開展,基本方案如圖1 所示.首先利用神光-Ⅱ升級裝置的一路納秒激光驅動平面薄膜靶產生等離子體,在數納秒的時間尺度內,等離子體膨脹形成數毫米的大尺度等離子體;在適當的時刻,神光-Ⅱ裝置的皮秒激光束注入,與大尺度等離子體相互作用,誘發SBS 和SRS 等LPI 過程.本文主要關心背向SBS 散射,采用漫反射板的方法進行診斷.

圖1 皮秒激光驅動的背向SBS 測量方案示意圖Fig.1.Schematic diagram of backward SBS measurement scheme driven by a picosecond laser.

利用漫反射板來測量散射信號是一種常規的方法,已經過多年驗證,在NIF 等裝置上已經成為常規的診斷技術[23].漫反射板是一種表面經過特殊處理的平板,光束照射在漫反射板上,發生漫反射,漫反射的波譜不變,強度則按照特定的規律分布,因此通過在特定的方向上記錄漫反射的信號,經過標定和后期處理,就可以得到入射光束的波譜、能量等信息.

在實驗中,漫反射板放置在皮秒激光的壓縮室后面.皮秒激光在靶位大尺度等離子體處誘發的背向SBS 散射沿著皮秒激光的光路反向傳播,依次經過離軸拋物面鏡反射、壓縮室中最后一塊伺服反射鏡透射、壓縮室后窗口透射后,照射到漫反射板上.在漫反射板之前,設置有光纖頭對著漫反射板被照射的區域,背向SBS 信號被光纖頭收集后,連接到光譜儀,進行光譜信息的記錄.

實驗中采用三明治結構的平面靶,如圖2(a)所示,三層分別為Al,C8H8和Al,厚度分別為100,2000 和100 nm.納秒激光選用神光-Ⅱ升級裝置的第5 路單束激光,波長351 nm(三倍頻),脈寬約1.2 ns,每束能量約600—800 J,以連續相位板(CPP)勻滑的方式聚焦在平面靶上,焦斑約Φ600 μm,靶面功率密度約1014W·cm–2.皮秒激光利用神光-Ⅱ升級裝置的第9 路皮秒激光束,波長約1053 nm,脈寬約8 ps,能量30—50 J,以離焦方式注入平面靶位置,離焦后的焦斑約Φ200 μm,靶面功率密度約 5×1015—8×1015W·cm–2.激光入射結構及焦斑示意圖如圖2(b)和圖2(c)所示.

圖2 實驗用靶 (a)三明治結構;(b)光路示意圖;(c)焦斑示意圖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 光譜

SBS 是一種三波耦合的過程,是入射光子在等離子體中離子聲波上近乎彈性的散射,因此散射光的波長與入射光基本相當.在本實驗中,入射光是基頻,即波長1053 nm,因此SBS 散射信號的波長也在1053 nm 附近.實驗中采用PI 公司的高分辨光柵譜儀SCT320 進行測量,選用1200 線對光柵,記錄采用PI 公司的PIXIS:400 BR 型號的CCD,對應的光譜測量范圍為 (1030—1075)nm.在光柵譜儀完好調整,并且狹縫寬度在10 μm 的條件下,在1053 nm 附近,測量的譜分辨可達每像素0.033 nm.但在具體實驗中,為了獲得更強和更穩定的信號,光柵譜儀的狹縫故意開大到約1 mm(相當于全開).這會導致實際的光譜分辨率變差,相應的譜峰會加寬,光譜儀波長位置的定標也會相應變差.

圖3 是實驗中獲得的典型背向SBS 光譜,對應的驅動條件是第5 路納秒激光波長351 nm,脈寬約1.2 ns,能量約670 J,第9 路皮秒激光波長1053 nm,脈寬約8.2 ps,能量約30.3 J,皮秒激光落后納秒激光后延1.5 ns.可以看出,有效信號主要集中在 (1048—1058)nm 之間,其他區域無明顯的信號痕跡.這個光譜形狀比較奇怪,與傳統的背向SBS 光譜不同,也與文獻中的不同[11],其中可能包含了不同的成分或來源.經過仔細分析和多次迭代,對光譜的結構和成分進行了分解和溯源.通常激光的光譜形狀接近高斯型,因此以高斯函數進行擬合.標準的高斯函數為

其中a為信號峰強度,b為本底水平,x0為中心峰值的位置,σ為標準差.對應到擬合的光譜中,a為光譜峰值強度,b對應本底噪聲,x0是中心波長,峰值的半高全寬τ與標準差σ直接相關:τ2.355σ.

圖4(a)是針對圖3 光譜進行分解和擬合的結果,可以看出,整個光譜可以被分為三部分,分別采用高斯函數擬合,可以得到三個不同寬度和峰值的高斯函數,如圖4(a)所示,分別記作P1(綠色方塊標記)、P2(藍色正三角標記)和P3(紅色實心圓標記).圖4(b)給出了實驗數據曲線(黑色空心圓標記)與三部分之和(P1+P2+P3)的曲線,可以看出,兩者符合得非常好,僅在中間交界的區域略有差異,如圖中藍色虛線圈所示.這表明,這一分解和擬合基本上是合理、可信的.

圖3 皮秒激光誘發的背向SBS 光譜Fig.3.Integrated spectroscopy of backward SBS induced by a picosecond laser.

圖4 背 向SBS 光譜的 成分分 解 (a)分解為 三部分;(b)三部分之和與實驗數據比較Fig.4.Component decomposition of backward SBS spectrum:(a) Decomposed into three parts;(b) sum of the three parts and the experimental data.

4 對光譜中三部分的來源分析

表1 列出了針對光譜中三部分的高斯擬合的參數,可以看出,顯著的差異在于中心波長x0和半高全寬τ.

表1 圖4 中各部分高斯擬合曲線參數Table 1.Gaussian fitting curve parameters of each part in Fig.4.

對于P1,中心波長1053.4 nm,光譜半高全寬約0.39 nm.結合實驗的條件,我們認為這是由用于產生大尺度等離子體的神光-Ⅱ升級裝置的納秒激光引起的.神光-Ⅱ升級裝置的納秒激光中心波長約1053 nm,帶寬約0.3 nm.考慮到一般情況下驅動激光的實際運行波長可能與1053 nm 有一定的偏差,同時光柵譜儀狹縫全開導致的譜分辨率變差和波長校準的偏差,在一定的誤差范圍內,兩者還是比較接近的.用于產生等離子體的納秒激光采用的是三倍頻激光,但由于采用了楔形透鏡的終端系統,仍有大量剩余的基頻和二倍頻激光進入靶室內部.這些無用的基頻和二倍頻激光在靶附近與三倍頻激光略微偏離,不會影響正常的實驗.但這些光有可能照射到靶室內壁、底板、元件支架等處,產生一定的噪聲背景,如果恰好有一部分進入到了背向散射的測量光路,就可能被記錄下來.

對于P2,中心波長1053.3 nm,光譜半高全寬約4.4 nm.這是一個帶寬較寬的峰,與實驗中用于相互作用的第9 路皮秒激光的參數是類似的.第9 路皮秒激光中心波長約1053 nm,帶寬約3—4 nm.同樣考慮到驅動激光實際波長、光譜儀狹縫全開、波長校準偏差等因素,兩者還算基本符合.這表明P2來源于皮秒激光.另外,如圖2(c)所示,靶的橫向尺寸比焦斑大得多,因此P2部分記錄的是從靶上原路返回的信號.皮秒激光斜入射輻照平面靶,因此不存在直接的反射光,可能的來源包括在等離子體臨界面上的反射,或者是波長變化很小的SBS 散射等.

對于P3,中心波長1050.2 nm,光譜半高全寬約1.3 nm.中心波長發生了明顯的改變,藍移約3 nm,半高全寬也發生了顯著的變化,在驅動激光中找不到類似的成分,因此可以明確地認定這一部分是皮秒激光與大尺度等離子體相互作用產生的背向SBS 信號.

事實上,利用高斯函數來進行譜成分的擬合可能存在一定的問題.對于上述P1,P2部分分別來源于本就是高斯型的納秒和皮秒激光,利用高斯函數來擬合是合適的.但是SBS 來源于激光與等離子體的非線性相互作用,光譜結構通常非常復雜,采用高斯函數擬合未必合適.從具體結果來看,采用高斯函數擬合P3,造成了P1,P2和P3三部分之和與實驗數據之間存在的差異(圖4 藍色虛線圈部分).更準確的方式應該是利用高斯函數擬合P1,P2,然后利用實驗數據減掉這兩部分來獲得純粹的SBS 信號.原則上,這會對SBS 信號能量份額的估計有所影響,但可以看出這一差異其實非常小,基本上可以忽略.

5 進一步的實驗

圖5 是一個簡易的靶室內激光光束分布示意圖,圖5(a) 為沿水平方向從南向北看的側視圖,圖5(b) 為從上向下看的俯視圖.其中第9 路皮秒激光束位于靶室赤道面上,離軸拋物面鏡聚焦從西偏北21°水平入射,F# 約2.7;第5 路納秒激光光束位于靶室赤道面,與赤道面夾角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#約7.2.在靶室內部赤道面下方約400 mm 的位置裝配有底板,為了保證多路入射激光光路的暢通,相應位置的底板是可拆卸的.同時,在各路入射激光對面窗口設置專門的吸收玻璃來吸收入射激光中剩余的基頻、二倍頻激光,從而減小在靶室內部產生的背景噪聲.然而實驗采用的納秒激光是第5 路,從上方入射,由于需要在底板上放置診斷一些設備和元件,第5 路對應的底板并沒有拆掉.由于底板在第5 路激光聚焦打靶之后,被認為并不會對實驗產生影響.從圖1 可以看出,背向散射需要經過很長距離的傳輸,才能進入壓縮室后的漫反射板,進而被記錄到.因此,只有經過靶點附近并進入離軸拋物面鏡準直后的光才有可能長距離傳輸到達漫反射板,即如圖5 中所標示的紅色區域.而第5 路激光中剩余的基頻和二倍頻激光輻照在底板上,散射出的光會照亮靶室內的支架和內壁,其中可能會有部分光進入背向散射的收集系統,進而形成納秒激光的干擾信號,即光譜中的P1成分.

圖5 靶室內激光光束分布示意圖 (a)側視圖;(b)俯視圖Fig.5.Schematic diagram of laser beam distribution in the target chamber:(a) Side view;(b) top view.

為此,考慮對方案進行改變,選用第2 路激光作為驅動產生大尺度等離子體的納秒激光進行實驗.第2 路納秒激光從靶室赤道面下方入射,與赤道面夾角40°,西偏南22.5°入射,F# 約7.2,與第5 路相比,除了上下入射方向不同,對于法線正西的平面靶來說,入射角度是一致的.第2 路納秒激光從下方入射,因此相應的底板必須拆卸,光路中沒有阻礙,剩余激光直接進入吸收玻璃被吸收.

圖6 是利用第2 路納秒激光驅動產生大尺度等離子體獲得的皮秒激光背向SBS 光譜,對應的驅動條件是第2 路納秒激光波長351 nm,脈寬約1.2 ns,能量約850 J,第9 路皮秒激光波長1053 nm,脈寬約7.8 ps,能量約44.5 J,皮秒激光落后納秒激光后延1.5 ns.與圖3 和圖4 的實驗結果相比,驅動激光的能量略高,其他條件相似.同樣,有效信號主要集中在 (1048—1058) nm 之間,但與圖4 存在明顯的差異,即位于1053 nm 附近的窄峰P1消失了.這表明前文對P1來源的分析是合理的,即P1來自于驅動大尺度等離子體的納秒激光中的剩余基頻激光在靶室中的殘留背景.圖6 中同時給出了各部分的擬合曲線,參數如表2 所列.與表1 相比,在中心波長、半高全寬方面,P2,P3基本一致,表明他們的來源與圖4 的實驗是一致的.

圖6 利用第2 路作為納秒激光驅動的背向SBS 光譜及成分分解Fig.6.Component decomposition of backward SBS spectrum driven by 2# nanosecond laser.

表2 針對圖6 第2 路納秒激光實驗的各部分高斯擬合曲線參數Table 2.Gaussian fitting curve parameters of each part using 2# nanosecond laser shown in Fig.6.

6 對結果的簡單分析

圖4 和圖6 對應的實驗驅動能量略有差異,對光譜進行能量歸一化處理,即光譜強度除以對應的皮秒激光能量,結果如圖7 所示.可以明顯看出,除了納秒激光引起的很窄的尖峰(即P1成分)外,在1053 nm 附近,光譜非常接近,即分解后的P2成分基本相當,而同時藍移的峰(即P3成分)則差別較大.SBS 是一種非線性過程,受各種不確定因素影響,每發次之間實驗數據的跳動是很正常的,P3成分符合這一點,表明P3成分是完全來自背向SBS,是“純粹”的背向SBS 信號.而P2則非常穩定,與入射皮秒激光能量成線性的關系,說明P2主要是來自皮秒激光在靶等離子體上的反射,其中也可能包含波長變化很小的SBS 部分,但份額非常小.也就是說,P2對于背向SBS 來說基本上屬于干擾的噪聲信號,但這一部分信號卻無法采用實驗的手段消除.

圖7 經過能量歸一化的光譜,分別利用2#和5#納秒激光Fig.7.Energy normalized spectra driven by 2# and 5#nanosecond laser respectively.

可以分別計算一下各成分的強度,這里去除可以通過改變靶室內條件消除掉的P1成分,只考慮皮秒激光帶來的干擾信號P2和背向SBS 信號P3.對于圖4 發次,擬合后的P2和P3對應的計數和分別是299120 和309448,即P3占總和的50.8%;對于圖6 發次,擬合后的P2和P3對應的計數和分別是415047 和272709,即P3占總和的39.7%.可以看出,“純粹”的背向SBS 信號,即P3部分,其實在測量到的總的背向信號中的比重并不高,有時甚至不到一半.在本實驗中,恰好選擇了納秒激光輻照平面薄膜靶這種構型來產生大尺度的等離子體,等離子體會向靶兩側持續膨脹,作為相互作用的皮秒激光注入時,遇到迎面而來的等離子體,相互作用產生的背向SBS 受到多普勒效應的影響而發生藍移.SBS 信號(P3)發生藍移,而作為皮秒激光噪聲的P2不藍移,使得P2和P3信號可以分離,進而能夠比較準確地給出背向SBS 的份額.但在更普遍的情況下,背向SBS 會和干擾信號混雜在一起,即P2和P3信號混在一起,無法分離.如果把測量到的激光波長附近的背向信號全部算為有效的背向SBS 散射信號,并不能反映實際的背向SBS 信號的份額,這無疑將對實驗的理解產生巨大的影響.因此在對待背向SBS 散射測量數據時,必須仔細地加以分析.

對于完全來自背向SBS 的P3來說,一個顯著的特點是中心波長發生了藍移.藍移的可能原因是皮秒激光注入時,大尺度等離子體存在明顯運動而引起的多普勒效應.藍移對應等離子體迎面而來.在實驗中,納秒激光輻照薄膜靶,在其后的納秒時間尺度內,產生的等離子體分別向兩側膨脹,皮秒激光在1.5 ns 之后從一側注入,恰好遇上膨脹的等離子體相互作用,發生藍移的SBS.另一個特點是P3的光譜峰的半高全寬只有 1.3—1.4 nm,比入射的皮秒激光的半高全寬4.3—4.4 nm 要窄得多.表明其發生的區域其實是比較窄的,那么具體發生區域密度是多少,離子聲波頻率是多少? 以及峰值藍移對應的等離子體的流速是多少等? 這些問題涉及到的因素比較復雜,需要配合數值模擬進行深入的研究,這也是下一步需要開展的主要工作之一.

值得注意的是,上述實驗中,皮秒激光驅動對應的功率密度均在5×1015W·cm–2甚至更高,這一數值比ICF 研究感興趣的功率密度條件高得多.通常情況,對于基頻激光驅動來說,功率密度在1014W·cm–2,就能夠激發出很強的背向SBS.具體實驗中,也進行了幾乘1014W·cm–2等功率密度的實驗,但信號很弱或淹沒在噪聲中.表明利用皮秒激光驅動可以顯著地提高背向SBS 的發生閾值,與Rousseaux 等[21]的結果也一致.本實驗的結論可能無法直接應用于ICF,但對時間尺度相當的皮秒激光LPI 的研究,將有助于更深入、細致地研究SBS 等LPI 過程的基本原理和規律.

7 結論

基于神光-II 升級與皮秒激光裝置,開展了皮秒激光驅動LPI 的實驗研究.實驗中獲得了背向SBS的光譜信息,經過仔細分析,認識到其中包含了多個來源不同的成分,并確定了不同的來源.結果表明,有效的背向SBS 信號在測量到的背向信號中份額占比并不高.背向信號中還包含有來自皮秒激光引起的干擾信號,且難以通過實驗的方式去除.這一發現對于更好地理解先前的相關背向SBS 等LPI 實驗的結果,具有很好的參考價值.

感謝神光-Ⅱ升級及皮秒裝置全體運行人員的大力協助.