強激光長程傳輸中散射效應(yīng)的影響研究

1、分類號：* U D C：*-*-(20*)*-0密 級：公 開 編 號：*大學(xué)學(xué)位論文強激光長程傳輸中散射效應(yīng)的影響研究論文作者姓名：申請學(xué)位專業(yè)：申請學(xué)位類別：指導(dǎo)教師姓名（職稱）：論文提交日期：強激光長程傳輸中散射效應(yīng)的影響研究摘要慣性約束聚變(ICF)通過加熱和壓縮燃料啟動聚變反應(yīng)。在ICF裝置中，到達靶丸之前激光將在一段長程空氣中傳輸，這一過程中激光將與空氣中的氮氣N2分子發(fā)生相互作用產(chǎn)生非線性散射受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)，其對入射泵浦光的質(zhì)量和能量影響最大。為了保證激光質(zhì)量和能量，實現(xiàn)最終的順利點火打靶，就必須減少SRRS的影響。本文通過麥克斯韋方程組建立物理模型，研究了激光空氣

2、傳輸中入射泵浦光和散射斯托克斯光的變化關(guān)系，并利用仿真計算出SRRS的轉(zhuǎn)化效率、閾值特性以及不同入射光強對散射光的影響。研究表明：泵浦光的傳輸距離和光強均會對散射光產(chǎn)生影響，這為抑制散射光提供了思路。關(guān)鍵詞：慣性約束聚變；受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射；入射泵浦光；斯托克斯散射光The Research on Scattering Effect When Laser Travels a Long Distance in Air AbstractHeating and compressing the fuel is the way to start the fusion reaction up in iner

3、tial confinement fusion (ICF). In the experimental device of ICF, the laser travels a long distance in air before it reaches the target. As we know, nitrogen molecules exist in the air. It is nitrogen that leads to the stimulated rotation Raman scattering which is the most significant impact on lase

4、r quality and energy. In order to get good laser quality and energy, the bad effect needs to be reduced, and then we can ignite successfully. In this paper, Maxwell's Equations are used to build a physical model to describe the relationship between pump laser and Stokes light. The changes of the

5、 scattered light are also figured out as the incident intensity changes. And we observe the changes of the pump laser energy and stokes light energy as transmission distance increases. The research shows that the scattering light is influenced by both the transmission distance and light intensity of

6、 the pump laser. The result provide us with a way to restrain the scattered light. Key words: inertial confinement fusion; stimulated rotational Raman scattering; pump laser; stokes light目錄論文總頁數(shù)：20頁1引言11.1當今能源的分布11.2我國各能源使用比例變化12 慣性約束核聚變12.1核聚變的定義22.2磁核聚變22.3慣性約束核聚變22.4慣性約束核聚變研究的發(fā)展32.4.1 國際發(fā)展32.4.2

7、國內(nèi)發(fā)展與研究意義43受激拉曼散射53.1散射53.2拉曼散射53.3 受激拉曼散射63.4受激拉曼散射對ICF的影響64.激光空氣長程傳輸中的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)效應(yīng)的物理模型74.1 麥克斯韋方程組74.2 空氣中受激拉曼散射的閾值114.2.1傳輸距離對散射光的影響114.2.2入射泵浦光強對散射斯托克斯光的影響145 結(jié)論16參考文獻17致 謝18聲 明20第 1 頁 共 24 頁1 引言1.1 當今能源的分布現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展靠能源的帶動。眾所周知，煤炭、天然氣和石油是我國主要能源。其中煤燃燒后，會產(chǎn)生CO2、氮氧化物、煙塵、CO等污染物。天然氣在燃燒后，主要是CO2。SO2和氮

8、氧化物這二者是形成酸雨的主要污染物。而且烴類的燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳，會造成溫室效應(yīng)。如今水污染和空氣污染等異常嚴重，環(huán)保成為世界各國非常關(guān)注的問題。這催促著我們?nèi)で笮履茉吹陌l(fā)展。推動新能源使用。1.2 我國各能源使用比例變化表1-1 各年份能源使用所占比例(%)錯誤!未找到引用源。從表1-1可以看出，從50年代到現(xiàn)在，煤炭的使用比例有所下降，但是在后期基本持平，與此同時，由于每年的能源使用基數(shù)在不斷加大，可知煤炭的使用量每年也在不斷增加，由此造成的污染越來越嚴重。我國自50年代以來的能源結(jié)構(gòu)基本上沒有根本性的改變，主要還是依賴于煤，石油，天然氣。其他能源雖然比例略微上升，但是作用不大。傳

9、統(tǒng)能源污染嚴重，并且終有一天會開發(fā)殆盡。這更加催促著我們?nèi)で笮履茉吹陌l(fā)展。風(fēng)能、太陽能、和核質(zhì)聚變等均屬于新能源，他們的主要特點就是清潔。其中，慣性約束聚變就是核質(zhì)聚中很重要的分支研究方向。在慣性約束聚變中，為實現(xiàn)最后點火和順利打靶。必須保證激光在最后一段空氣中傳輸后的激光束質(zhì)量與能量。而影響激光的質(zhì)量和能量最大的非線性效應(yīng)就是受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射。本文就是針對于此的研究。2 慣性約束核聚變2.1 核聚變的定義核聚變指氘和氚在超高溫和超高壓的條件下，核外電子擺脫原子核的束縛，造成兩原子核互相吸引產(chǎn)生碰撞。聚變反應(yīng)結(jié)合了輕原子核，如氫，形成較重的，如氦。為了克服它們之間的靜電斥力，要求核要有數(shù)千萬

10、度的溫度，在這種情況下，它們不再形成中性原子，而是存在于等離子體狀態(tài)中。此外，足夠的密度和能量限制是必需的，正如勞森標準規(guī)定的那樣。在這個過程中，電子和中子都被釋放出來。這個過程中產(chǎn)生很大的能量。原子核從一種變?yōu)榱硗庖环N的過程，通常都會伴隨著能量的釋放。這就能夠為人類提供能量，于是能量就有了新的出路。核聚變相比于一般的能源，更加的干凈。它能產(chǎn)生巨大的能量但是不會產(chǎn)生常規(guī)能源會產(chǎn)生的污染。從某一程度上來說，原子核可以說取之不盡。所以核能的研究對我們至關(guān)重要。越來越多的科學(xué)家投身于此，世界各國對其的關(guān)注度也非常高。2.2 磁核聚變磁約束核聚變通過利用磁場(一種電流和磁性材料的相互影響限制)等離子體

11、熱核聚變材料來產(chǎn)生聚變能。磁約束是聚變能研究的重要兩個分支之一，另外一個重要分支就是慣性約束聚變。磁性約束聚變近些年發(fā)展的較為迅速，也被公認為在能源生產(chǎn)方面更具前景。2007年法國，ITER工程利用托卡馬克磁約束幾何構(gòu)造500兆瓦的發(fā)電聚變裝置。ITER(拉丁語意思為“道”)是國際核聚變研究工程，是世界上最大的磁約束等離子體物理實驗。磁約束聚變用等離子體的電導(dǎo)率來制造聚變能源生產(chǎn)所需的條件。該條件可以認為是取得磁壓和等離子體壓力之間的平衡，或單個粒子沿磁場線螺旋?？蓪崿F(xiàn)的壓力通常大約是時間約束到幾秒時產(chǎn)生的壓力。相比之下，慣性約束在更低的約束時間內(nèi)有更高的壓力，大多數(shù)的磁約束方案也有更多或更少

12、的穩(wěn)定狀態(tài)的優(yōu)點，相對于慣性約束的固有脈沖操作。最簡單的磁結(jié)構(gòu)是電磁線圈。 它是一種帶有磁性線圈的長圓筒繞線，在與氣缸軸線平行的平行軸的直線上產(chǎn)生一個磁場。這樣的電場會阻礙離子和電子徑向丟失，但不能阻止從電磁線圈的末端丟失。有兩種方法來解決這個問題。一種是嘗試用一個磁鏡擋在末端。另一種是通過彎曲圍繞他們的磁場線來完全消除末端的丟失。然而一個簡單的環(huán)形磁場，有較差的限制，因為磁場強度的徑向梯度導(dǎo)致了軸方向的漂移。2.3 慣性約束核聚變慣性約束聚變1-3通過加熱和壓縮燃料目標啟動聚變反應(yīng)。壓縮材料通常是含有氘和氚的混合顆粒。為了壓縮和加熱材料，我們用高能激光束，電子或離子將能量傳遞到燃料目標的外層

13、。然而，2015年幾乎所有的ICF設(shè)備都用的是高能激光束。被加熱的外層向外爆炸，產(chǎn)生了對剩余目標的反作用力。加速內(nèi)層作用。壓縮了目標燃料。這一過程的目的是創(chuàng)造一個沖擊波，通過目標向心運動。一個足夠大的沖擊波能壓縮和加熱中心的材料，以至于能引發(fā)聚變反應(yīng)。聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱周圍的材料，如果溫度夠高就能引發(fā)聚變。ICF的目的是點火時，加熱過程引起鏈式反應(yīng)(這需要大量的燃料)。典型的燃料顆粒大小約一個針頭，含有大約10毫克的燃料：在實踐中，只有小部分燃料將參與聚變，但是如果所有這些燃料被消耗，它會釋放能量相當于燃燒一桶石油?？偟膩碚f，ICF就是利用粒子的慣性來對粒子進行約束。獲取聚變能的主要步驟如

14、下： 驅(qū)動源提供脈沖式高強度能量，讓能量均勻分布在含有氘氚燃料的微型球狀靶丸外殼。 隨著時間的積累，外殼表面形成高壓和高溫等離子體。 靶外殼在反作用力下，高速向心運動。 主燃料層被高度壓縮，在局部氘氚燃料處形成高溫高密度熱斑，從而達到點火條件。 在高密度高溫?zé)岷巳剂蟻聿患吧㈤_之前，熱核充分燃燒，釋放大量聚變能。2.4 慣性約束核聚變研究的發(fā)展2.4.1 國際發(fā)展表2-1 各國現(xiàn)在已經(jīng)建立的ICF實驗室國家實驗室裝置能量(KJ)脈寬束數(shù)建成美國LLNLNova45/30.1-3101984LLNLBeamlet6.4/3311994LLEOmega40/30.1-1601995日本ILEGekk

15、oXII15/30.1-1121983法國LimeilPhebus8/30.1-321986中國高功率激光物理國家實驗室神光-I1.6/10.1-121985高功率激光物理國家實驗室神光-II6/10.1-182000中國工程物理研究院星光-II0.15/30.1-111994英國RALVulan2/30.1-18從表2-1可以看出，多個國家都已建立了自己的實驗室，美國和我國均建立了多個ICF實驗室。美國對ICF研究的最早，并且已經(jīng)取得了一些成果。本文進行驗證的數(shù)據(jù)就是來自美國羅切斯特大學(xué)。下面2-1圖就展示了美國的ICF實驗室裝置。(a)Nova激光大廳(b)Nova靶場(c)Omega激光

16、裝置(d)Omega裝置(e)Gekko XII激光裝置激光大廳(f)Gekko XII靶場圖2-1 美國的ICF實驗室裝置 1993年1月美國國家能源部開始實施“國家點火計劃”。該計劃主要分為兩個重要部分：(1)技術(shù)基礎(chǔ)，研究點火相關(guān)的技術(shù),(2)制造實體的物理裝置。1996年7月1日，這兩項計劃由兩個部門管理?？偟膩碚f，90年代，美國為了發(fā)展固體激光材料技術(shù)等技術(shù)方面，斥資數(shù)十億美元。建成了國家點火裝置NIF。2.4.2 國內(nèi)發(fā)展與研究意義王淦昌于1964年獨立地提出激光聚變思想。隨后中國科學(xué)院上海光機所，根據(jù)這一提議，開始了高功率激光驅(qū)動器的研制和應(yīng)用。1993年，我國在 “863”計劃

17、中提出了ICF，這進一步推動了國家ICF研究。1994年，神光2號建成。在此之前，神光1號在激光ICF和X射線激光等前沿領(lǐng)域獲得了一批國際級別高層次的物理成就。1994年，神光2號工程啟動，其規(guī)模比神光1號大4倍。在世界上來說，巨型激光驅(qū)動器能反應(yīng)綜合國力。研制ICF能提高一個國家的國防水平和國際地位。因此ICF的研制具深遠意義。 圖2-2 美國的國家點火設(shè)施圖2-3 激光器高壓電纜在實現(xiàn)打靶點火的時候，要求激光的質(zhì)量和能量達到一定水平。但是由于在ICF裝置中，激光會在空氣中傳輸一段距離，這一階段就會產(chǎn)生非線性散射中的拉曼散射，造成激光質(zhì)量變差，能量分散。影響點火的順利進行。本論文就主要針對于

18、拉曼散射進行研究。探究其產(chǎn)生的原理、機制，以及它的閾值條件和方法。3 受激拉曼散射3.1 散射當光束在均勻的透明介質(zhì)傳播時，從除在傳播方向上外觀察以外，是看不到光的。但是當光束在非均勻介質(zhì)中傳播的時候，在側(cè)面上可見光束傳播軌跡。也就是說光的散射就是:光在不均勻介質(zhì)傳播時偏離原方向傳播。光的散射可以分為彈性散射和非彈性散射。顆粒的米氏散射就是彈性散射。彈性散射的特點就是散射光頻率與入射光相同。非彈性散射中，光子能量與外界粒子有能量交換。這就造成了散射光和入射光的頻率不同。拉曼散射就屬于非彈性散射。非彈性散射，只有當入射的中子能量高于某一閾值時會發(fā)生非彈性散射。也就是有閾值的特點。3.2 拉曼散射

19、拉曼散射，也稱拉曼效應(yīng)，是光子的非彈性散射。它由C. V. Raman和他的一個學(xué)生K. S. Krishnan在液體中發(fā)現(xiàn)。后來這一效應(yīng)也被G. Landsberg和Leonid Mandelstam在晶體中獨立發(fā)現(xiàn)了。該效應(yīng)的正確性在1923年被思梅卡爾.阿道夫以理論證明。拉曼相互作用的最終結(jié)果有兩種：(1)與入射光作用的物質(zhì)吸收了能量。并且發(fā)射出來光子比被吸收的光子的能力更低。該效應(yīng)就叫斯托克斯效應(yīng)。這個命名是為了紀念喬治.斯托克斯，他于1852年證明了熒光性的產(chǎn)生的原因：物質(zhì)發(fā)射的光波長比物質(zhì)吸收的光波長更長。(2)與入射光作用的物質(zhì)丟失了能量。并且發(fā)射出來的光子比被吸收的光子的能量更

20、高。該效應(yīng)就叫反斯托克斯效應(yīng)4。圖3-1 斯托克斯光和反斯托克斯光3.3 受激拉曼散射自發(fā)拉曼散射過程顧名思義為一個自發(fā)產(chǎn)生的過程，也就是說，在隨機的時間內(nèi)，其中一個光子被物質(zhì)散射出來。另一方面，當自發(fā)拉曼散射產(chǎn)生斯托克斯光子，或者在原始光(泵浦光)注入斯托克斯光子(信號光)時，就會產(chǎn)生受激拉曼散射。此時，總的拉曼散射效率增大，并且超過自發(fā)拉曼散射。泵浦光子會更迅速的轉(zhuǎn)換成為額外的斯托克斯光子。隨著斯托克斯光子的增加，他們增長的速度也會增加。這有效地在放大了斯托克斯光。這個原理在拉曼放大器和拉曼激光器中得以利用。 我們知道當入射光強較弱時，產(chǎn)生的散射主要是自發(fā)散射，也就是普通的拉曼散射。而當入

21、射光強很強時，散射主要為受激散射。在實驗研究中后發(fā)現(xiàn)，散射光的這種變化過程有閾值性。當入射光強超過某特定值后，散射光的強度就會突然迅速增大。這就是受激拉曼散射。 3.4 受激拉曼散射對ICF的影響激光在長程傳輸中與氮氣相互作用5，產(chǎn)生受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射，與此同時，由于氮氣的SRRS是大氣中已知閾值功率最低的非線性效應(yīng)之一，因而深入研究它具有重要意義。在大氣中，尤其是自高層大氣中，氮氣的SRRS對激光的影響最大。拉曼散射光的出現(xiàn)，將對倍頻光的強度分布和發(fā)散角產(chǎn)生很大影響，從而影響激光的攻擊能力，影響打靶、點火的效率。ICF研究中，我們所用的高功率激光器主要由這幾個部分組成：前端預(yù)放大級，主放大級，

22、空間濾波器，頻率轉(zhuǎn)換器，空氣中的長程傳輸，靶場等組成。頻率轉(zhuǎn)換器的功能是將從主放大系統(tǒng)出來的基頻激光進行三倍倍頻，即由原來的(=1.053 um)變?yōu)楝F(xiàn)在的3(=0.351)。Type II Tripter 9 mm KD*PType I Doubler 11 mm KDP圖3-2 NIF頻率轉(zhuǎn)換器 NIF頻率轉(zhuǎn)換器中的三倍頻過程：波長為1053nm的入射光由晶體1進入，被部分轉(zhuǎn)化為波長為531nm的近似倍頻光。因為是部分轉(zhuǎn)化，所以在第一塊晶體和第二塊晶體之間的光是1和2并存的光。緊接著，這部分光通過第晶體2，得到波長為351nm的三倍頻激光。射出的激光將通過長距離的空氣傳輸,然后打靶。我們必

23、須保證到達靶面的激光的質(zhì)量和能量，才能順利點火。但是從頻率轉(zhuǎn)化器中輸出的激光，在輸出光傳輸?shù)侥康牡剡@段時間內(nèi)，由于空氣中N元素的存在6，三倍頻光在長程傳輸中與其相互作用，產(chǎn)生受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)。SRRS的存在必將造成泵浦光能量損失和光束質(zhì)量變差7。為了減小受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)的不良影響，我們有必要對其進行研究。并且我們知道在SRRS中存在閾值8，只有當泵浦光功率密度或光強達到一定值以后，散射光的相干性和方向性才增長較快。在入射泵浦光的功率超過某值(閾值)的時候，泵浦頻率分量近似指數(shù)增長。當然在整個ICF實驗發(fā)生裝置中，也有其他的光學(xué)效應(yīng)會影響光束質(zhì)量。比如說，激光將在光學(xué)元件

24、中產(chǎn)生受激布里淵散射和受激拉曼散射。在ICF的頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)里面，橫向受激拉曼散射(垂直于激光傳輸方向的光散射)是對激光質(zhì)量和能量影響最大的非線性效應(yīng)10-11。它將造成基頻光的能量損失。4 激光空氣長程傳輸中的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射效應(yīng)的物理模型4.1 麥克斯韋方程組 為了描述強紫外激光在空氣中傳輸所產(chǎn)生的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射SRRS，本文采用了麥克斯韋方程組(Maxwell-Bloch-Langevin)對其進行描述。麥克斯韋方程組考慮了以下因素的影響(1)斯托克斯光(Stokes)和泵浦光的衍射(2)郎茲萬(Langevin)噪聲源(3)增益系數(shù)、光束口徑、脈寬和強紫外激光能量密度(4)介質(zhì)的非線性

25、激化和拉曼線寬從量子力學(xué)基本原理出發(fā)，可推導(dǎo)出強紫外激光的長程空氣傳輸過程中的空間四軸近軸算符的麥克斯韋方程組。(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)以下是對這個方程大概的解釋說明(1)在笛卡爾坐標系中，式(4-1)左邊第一項代表泵浦光的衍射。為泵浦光的量子場，式(4-1)左邊第二項代表入射泵浦場隨傳輸距離z的變化。是斯托克斯（Stokes）光的量子場，式(4-2)左邊第二項代表斯托克斯光隨傳輸距離Z的變化。ki(i=1、2、3.)代表耦合系數(shù)。和為物質(zhì)極化，是光學(xué)聲子的量子態(tài)。為衰減系數(shù)。是Langevin力。(2)k1,k2表達式如下所示(4-6) (4-7)噪聲源和在空間和時

26、間上的自相關(guān)。參數(shù)k1, k2的表達式如式(4-6)與式(4-7)。其中，g為穩(wěn)態(tài)增益系數(shù)，拉曼線寬為s-1, S是Stokes光頻率，為3.4656×1015Hz, n是拉曼激活“原子”數(shù)密度，c的含義是空氣中的光速，h為普朗克常數(shù)。(3)方程中的各符號具體含義若用 表示隨空間和時間變化的場：(4-8)字母頭上只有“”符號：表示隨空間和時間變化的量子場，其含快變和慢變部分，為慢變部分，為快變部分。由也可以知道，字母頭上同時含有“”和“”表示量子場的慢變部分：比如、和；字母頭上僅有“”符號表示經(jīng)典場的慢變部分：比如；字母頭上沒有任何符號表示經(jīng)典場：比如；字母的右上角有“*”符號表示復(fù)

27、數(shù)共軛量，比如；字母的右上角有“+”符號表示厄密共軛量，比如。(4)式(4.1)等號左邊的第一項表示入射泵浦光的衍射。式(4-1)等號右邊項表示入射泵浦場與散射Stokes光量子場的非線性耦合。式(4-2)左邊的第一項代表散射斯托克斯光的衍射，式(4-2)等號右邊項表示入射的泵浦光和斯托克斯光量子場的非線性耦合。式(4-3)表示是物質(zhì)極化Q隨時間t的變化。(5)可利用分步方法來求解上述的Maxwell-Bloch-Langevin方程組。也就是說，可以將衍射以及光與介質(zhì)的非線性作用分開計算。在計算衍射傳輸時用到的方程組可表示為(4-9)(4-10)計算衍射傳輸?shù)臅r候，將振幅E(x,z)離散化。

28、計算過程本文利用快速傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)。計算過程如下所示(4-11)其中：kj=0,1,Nj-1; j=1,2。將E(k,z)作離散傅立葉變換(4-12)作相應(yīng)的逆變換為(4-13)當光束在自由空間傳播時，可以得到如下表達式(4-14)其中:,。經(jīng)過FFT變換在頻率域傳輸后為：(4-15) 描述非線性介質(zhì)極化過程的方程為：(4-16)(4-17)設(shè)定和在x, y方向的空間平均能量相同，就可以設(shè)定、僅與x, z和有關(guān)，就得到空間上的三維標準方程組：(4-18)(4-19)(4-20)(4-21)(4-22)4.2 空氣中受激拉曼散射的閾值空氣中受激拉曼散射閾值定義為：1%的泵浦光轉(zhuǎn)換為斯托

29、克斯光的時候的激光傳播距離。但是由于閾值距離L會受到g(拉曼增益系數(shù))和I(入射光強度)的影響，所以將gIL的乘積定義為閾值條件，能更好的反應(yīng)整個傳輸?shù)拈撝登闆r。為了能夠更好的仿真計算相關(guān)物理量，更好的描述受激拉曼散射的特性，我們需要確定受激拉曼散射參數(shù)以及相關(guān)物理量。比如說：入射光與散射光的波長、拉曼線寬、泵浦光脈沖半寬度。在此次實驗和計算中，泵浦光空間分布為10階超高斯脈沖。并且其平頂部分沒有調(diào)制。下表4-1列出了羅切斯特大學(xué)仿真計算中使用的參數(shù)。 表4-1 計算所用參數(shù)入射泵浦光的波長3.511×10-5cm斯托克斯光的波長3.5204×10-5cm初始泵浦光峰值功率

30、2.2×109Wcm-2初始斯托克斯光峰值功率0.02Wcm-2拉曼線寬7.52×109s-1拉曼增益系數(shù)6.76×10-12cm/W光束直徑10cm傳輸距離30m拉曼激活原子數(shù)2.234×1019cm-3泵浦光脈沖半寬度2.5×10-10s斯托克斯光的圓頻率5.3543×1015Hz4.2.1 傳輸距離對散射光的影響(1)傳輸距離Z對散射光的影響將上表中給出的參數(shù)帶入程序中進行計算可得圖4-1，為散射光和入射光的光通量隨傳輸距離的變化曲線。圖4-1散射斯托克斯光和入射泵浦光的通量隨傳輸距離的變化曲線由圖4-1得出：保持入射泵浦光強不

31、變，當傳輸距離小于某一特定值時，入射泵浦光強度與初始值基本一致，基本上沒有削減；散射斯托克斯光強度幾乎為零，沒有增長。但是當距離達到某值(gIL達到閾值條件)以后，傳輸距離愈變愈大的時候，入射泵浦光的強度快速變小，下降速度幾乎呈指數(shù)趨勢。與此同時，散射斯托克斯光強度呈指數(shù)大幅度增長。在這幅圖中，可以看到閾值傳輸距離Z為17m，閾值條件為gIL=25.2。(2)閾值處泵光和斯托克斯光的時間脈沖波形圖4-2為閾值處入射泵浦光和散射斯托克斯光的時間脈沖波形，也就是一個周期內(nèi)入射光和散射光波能量的變化情況。圖4-2閾值處泵光和斯托克斯光的時間脈沖波形(3)不同閾值條件下的散射光轉(zhuǎn)換效率在上圖4-1中，

32、傳輸距離Z超過閾值傳輸距離后，斯托克斯散射光轉(zhuǎn)換效率呈指數(shù)大幅度增長，如gIL40時，即傳輸距離為27.3米時，斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率達到53%左右。因此斯托克斯散射光轉(zhuǎn)換效率與閾值條件的變化曲線如圖4-3。圖4-3 斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率由圖4-3可知泵浦光光強不變的情況下，隨著距離的不斷增加，容易知道閾值條件gIL將增大，散射光的轉(zhuǎn)換效率也不斷提高。圖4-4(a)展示了對數(shù)坐標下的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)的轉(zhuǎn)換效率。圖4-4(b)給出了美國羅切斯特大學(xué)的計算和實驗結(jié)果。 (a)本文的計算結(jié)果 (b)羅切斯特大學(xué)的實驗與計算結(jié)果圖4-4 斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率變化曲線比較圖4-4(a)與圖4-

33、4(b)可得，本文計算結(jié)果與羅切斯特大學(xué)的結(jié)果基本一致。當泵浦光強為2.2×109W/cm-2，其他參數(shù)不變的情況下，所得結(jié)果基本相同。也就是說：散射斯托克斯光的閾值條件均為gIL=25，相應(yīng)的傳輸距離L可以由L=25/gI求得為17米。當（對應(yīng)的傳輸距離L為27.3米）時，散射光的轉(zhuǎn)換效率均在53%左右。從而得以驗證了本文數(shù)據(jù)的可靠性。但本文的計算結(jié)果和羅切斯特大學(xué)略有不同。比如：在散射斯托克斯光增長的時候本論文結(jié)果更迅速，結(jié)尾時更平滑。主要是因為羅切斯特大學(xué)計算時，考慮了入射泵浦光光轉(zhuǎn)化為散射斯托克斯光時可能存在的所有頻移，即S(8) =93.9nm、 S(10) =113.8n

34、m、S(6) =74.1nm以及S(12) =133.6nm。但本文只考慮了主要頻移S(8) =93.9nm。4.2.2 入射泵浦光強對散射斯托克斯光的影響(1)泵浦光能量對閾值Z的影響由閾值條件定義為gIL,可知受激拉曼散射的閾值將受到入射泵浦光光強的影響。圖4-5給出了在入射泵浦光強度為IL0下，散射斯托克斯光與入射泵浦光通量隨傳輸距離Z的變化曲線，圖4-6給出了在入射泵浦光強度為IL0下，散射斯托克斯光與入射泵浦光通量隨傳輸距離Z的變化曲線。圖4-5 IL0時的散射光 圖4-6 IL0時的散射光比較圖4-5和圖4-6，當IL0=時，閾值L=17m；而當IL0=時，閾值L=8.5m。由此可

35、見，入射的泵浦光能量越強，產(chǎn)生受激拉曼散射的閾值傳輸距離越小，泵浦光轉(zhuǎn)化為散射光更快。(2)泵浦光能量對轉(zhuǎn)換效率的影響圖4-7和圖4-8進一步給出了在不同的泵浦光能量輸入時，泵浦光轉(zhuǎn)換為斯托克斯光的效率曲線。圖4-7 IL0 SRRS的轉(zhuǎn)換效率曲線圖4-8 IL0 SRRS的轉(zhuǎn)換效率曲線如圖4-7和圖4-8所示，隨著入射泵浦光能量增強，產(chǎn)生的散射斯托克斯光閾值時的傳輸距離越短，轉(zhuǎn)換效率顯著增加。當IL0，強激光傳輸距離為27.3米，泵浦光轉(zhuǎn)換成斯托克斯光的效率為53%左右，而當IL0，同樣的，強激光傳輸距離為27.3米時，泵浦光轉(zhuǎn)換成斯托克斯光的效率為78%左右。轉(zhuǎn)換效率容易計算得到增加了25

36、%。并且從圖4-7和圖4-8對比知道：入射泵浦光的能量越高，相應(yīng)的散射斯托克斯光能量增加越快，SRRS效應(yīng)越明顯。結(jié)論本文介紹了慣性約束聚變的研究意義，以及受激拉曼散射的基本概念；建立了SRRS(受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射)物理模型，重點研究了ICF裝中倍頻晶體出射的激光經(jīng)過長距離空氣傳輸時，產(chǎn)生的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射以及其對激光質(zhì)量和能量造成的影響；分析了散射光的閾值和閾值影響因素。結(jié)果表明：1. 入射光能量一定，通過分析入射光和散射光在不同傳輸距離處的能量值變化圖可得：當入射光在閾值傳輸距離內(nèi)傳輸時，入射光能量基本保持不變；與此同時，所產(chǎn)生的散射光基本為0。隨著傳輸距離逐漸增加，增加到某值后，入射光能量

37、呈下降趨勢，散射光開始增加；當傳輸距離達到閾值后，入射光呈指數(shù)減少，同時散射光呈指數(shù)大幅度增加。同時本文將距離達到閾值以后的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)的轉(zhuǎn)換效率，與美國羅切斯特大學(xué)的實驗數(shù)據(jù)進行了比對。結(jié)果基本一致，驗證了本文實驗數(shù)據(jù)的正確性。2. 通過改變?nèi)肷涔饽芰浚ǖ谝淮螢?.2×109W/cm2，第二次為4.4×109 W/cm2），所得閾值距離將隨著入射光能量的增加而明顯變短。3. 通過分析在不同入射光光強的情況下，傳輸距離達到閾值以后的散射光的轉(zhuǎn)換效率，得出：入射泵浦光能量越強，其轉(zhuǎn)換為散射斯托克斯光的效率提高速度越快。 由以上分析可知，入射泵浦光傳輸距離和泵浦

38、光能量變化對SRRS效應(yīng)影響非常明顯。 從這個方面說來，為了提高激光的質(zhì)量和能量，可以采取以下措施：(1)減少在空氣中的傳輸距離,(2)合理選擇泵浦光能量。 參考文獻1 劉述杰. ICF甚多束激光打靶輻照光場的理論研究D. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008.62 杜凱. 快點火錐殼靶制備技術(shù)基礎(chǔ)研究D. 綿陽：中國工程物理研究院博士論文，2014.63 王婷. 微靶裝配在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究D. 天津：天津大學(xué)博士論文，2009.64 Seeger T, Leipertz A. Experimental comparison of single-shot broadband vibr

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