超强激光科学卓越创新简报
(第五百八十四期)
2024年12月26日
上海光机所在面向双锥对撞点火方案的纳秒激光时空调控方面取得新进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室范薇研究员团队联合上海交通大学吴福源副研究员和中国人民大学王伟民教授针对双锥对撞(DCI)点火方案的纳秒激光时空调控能力提升开展研究。相关成果以“Spatial-temporal modulation method of nanosecond laser for the double-cone ignition scheme”为题发表在Optics Express上。
DCI 方案融合了直接驱动和快点火方案的优势，包括四个独立可控的过程：近等熵压缩、混合加速、对撞预热和快电子点火燃烧。纳秒激光脉冲辐照到两个对向放置的金锥内，激光通过烧蚀火箭效应压缩球冠靶形成高密度等离子体，与从对向锥内喷射出的高密度燃料相互碰撞，进一步提高等离子体密度。然后，使用皮秒激光进行快电子加热，把对撞形成的高密度等离子体加热到聚变点火条件，释放出大量的能量。对于DCI方案来说，提高皮秒激光的功率密度是一个难点，而纳秒激光的时域精密调控能力和功率平衡显然更有利于准等熵压缩，从而得到更高的面密度，在相同条件下提升聚变能量增益。因此，在整个压缩阶段保持能量和功率平衡以及时间-功率曲线的精确控制至关重要。目前，NIF、OMEGA等大科学装置均针对压缩阶段的功率平衡提出严格的要求。NIF装置每四束激光打在同一个靶面上，因此更注重每四束之间的功率平衡，OMEGA装置每束激光打在不同的靶面上，主要关注束与束之间的功率平衡，而DCI方案由于其独特结构，更侧重于两个锥面上的能量平衡。
图1：双锥对撞点火方案示意图
激光脉冲在传输过程中会受到多种因素的影响（包括整形单元、泵浦源的不稳定等）导致脉冲的稳定性变差，但增益饱和效应会增强脉冲的稳定性。对于高对比度的激光脉冲而言，脉冲的高功率部分率先达到增益饱和，而低功率部分则几乎保持线性放大，这不利于提升驱动激光早期的时域控制精度。鉴于此，研究人员针对DCI方案提出一种脉冲分割模型，在满足驱动内爆的近等熵纳秒压缩波形的前提下，对装置内各子束的时间-功率曲线进行重新分配，以降低各子束的波形对比度。利用少数子束产生低功率的足脉冲，聚焦在初始半径的靶面上，以提供更好的照明均匀性，剩余子束产生高功率驱动主脉冲，聚焦在相对较小的靶面上，这样可以使足脉冲也能达到增益饱和，同时还可减轻交叉光束能量转移（CBET）的影响。模拟结果表明，这种脉冲分割模型有利于增强足脉冲的稳定性。考虑到三倍频输出情况，重新分配的脉冲在冲击压缩阶段和斜坡调熵阶段具有更好的稳定性，分别从 50% 和 20% 提高到 26% 和 6.1%。该时空调制方案有望提高装置的功率平衡控制能力，实现动态焦斑控制，为双锥对撞(DCI)点火方案以及甚多束激光驱动点火方案的纳秒激光时空调控能力提升提供参考。
图2：时间-功率曲线；(a)原始脉冲；(b)重新分布脉冲；(c)不同时刻的脉冲不稳定性
相关研究得到中国科学院战略重点研究项目支持。
