近日，中山大學理學院趙耀副教授團隊與中科院上海光學精密機械研究所崔子健副研究員和南京工程學院趙斌副教授合作，提出了慣性約束聚變中非共線多色光（NCPL）的參量不穩(wěn)定模型以及大寬帶NCPL的產(chǎn)生方案，文章已在Nuclear Fusion上發(fā)表。該項研究表明，通過引入空間角度可以減弱激光等離子體不穩(wěn)定（LPI）的波矢耦合強度，從而降低LPI的增長率和飽和幅度。

文章首次提出了多光束構(gòu)型下，任意入射頻率激發(fā)的LPI完整模型，其中包括受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、交叉光束能量轉(zhuǎn)移（CBET）以及雙等離子體衰變（TPD）。NCPL參量模型表明，當兩束光的角度大于約等于4°時，它們在波矢耦合上的匹配程度會減弱。因此，相對于普通的共線多色光（CPL），驅(qū)動LPI的有質(zhì)動力會進一步降低。該模型正確解釋了多光束構(gòu)型下集體模式的產(chǎn)生機制，與粒子模擬結(jié)果符合得很好。以SRS為例，當兩束光的頻率差小于一定閾值時，其中一束入射光激發(fā)的散射光會與另一束入射光相互作用產(chǎn)生共用子模式。通過引入兩束光之間的頻率差可以降低耦合強度。關于SBS的NCPL模型可以得到CBET的線性增長率，有助于理解多光束能量轉(zhuǎn)移的物理機制。文章首次得到的NCPL激發(fā)TPD的參量模型表明，頻率差足夠大的寬帶光可以在相空間中分離兩束入射光激發(fā)的TPD不穩(wěn)定區(qū)域，從而降低光束之間的耦合度以及總的飽和幅度，如圖1所示。

圖1  NCPL激發(fā)的TPD不穩(wěn)定相圖

之前的CPL方案是將不同頻率的子光束分別進行參量放大和三倍頻轉(zhuǎn)換，最后通過合束來產(chǎn)生單一的多色光，這導致了系統(tǒng)的冗雜和轉(zhuǎn)換效率低下。據(jù)此我們提出了產(chǎn)生頻率差為1%的新型NCPL方案，使得晶體數(shù)量得到了有效控制，具體如圖2所示。該方案主要涉及的非線性光學過程有非飽和參量放大和非共線和頻（NCSFG），兩束不同頻率的子光束最終通過二倍頻泵浦光與1035 nm和1072 nm基頻光的NCSFG過程在同一塊DKDP晶體中產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的驅(qū)動器方案相比，只有三倍頻過程被NCSFG代替，因此兩者的轉(zhuǎn)換效率是相當?shù)摹?/p>

圖2 NCPL光學方案

NCPL模型有利于推動當下集束LPI的研究，同時當NCPL的頻率差滿足一定條件時，可以有效控制慣性約束聚變中的LPI過程。文章提出的產(chǎn)生大寬帶NCPL的方案，其轉(zhuǎn)換效率與傳統(tǒng)驅(qū)動器相當，因此有可能實現(xiàn)皮實、高增益的慣性約束聚變點火。中山大學理學院正在逐步推進100 J量級多色紫外激光平臺的建設，相關工作對于NCPL參量模型的研究與方案驗證具有重要的推動作用。