惯性约束聚变中受激拉曼散射基础问题研究

Stimulated Raman scattering (SRS) is one of the key issues in the laser driven inertial confinement fusion. To get ignition, one need more higher laser intensity, more laser beams than previous research, and it leads to longer plasma density scale length and higher plasma temperature. It brings new challenges for the research of SRS. There are three key issues to be solved at current ICF conditions. First, multibeam effects of SRS become increasingly important, since it triggers collective effects of SRS when increasing the laser beams. Compared to the single-beam SRS, multibeam SRS is easier to be triggered and more deleterious to inertial confinement fusion. Second, SRS lies in strong nonlinear regime at current conditions. Since kinetic effects are important at that regime, we need to clarify the relationship between these kinetic effects and find the dominant effect at that regime. Third, hot electrons driven by SRS are of course significant, however, its generation mechanism, spectrum, and hot-electron fraction are still not well-understand. Thus, in our project, we shall systematically study the properties of SRS in ICF, including multibeam SRS, kinetic effects of SRS, and the mechanism of hot-electron generation, and finally obtain the underlying SRS evolution rules and the characteristics of hot electrons which can match the current experiment results.

受激拉曼散射（SRS）是激光驱动惯性约束聚变（ICF）中的关键问题之一。现阶段的ICF研究具有激光更强、激光束更多、等离子体密度标长更长、温度更高等特点，这为SRS研究带来了新的挑战。目前SRS研究主要面临三个关键问题：1.多光束效应逐渐明显。激光数目的增多使SRS的集体效应逐渐体现出来。相比单光束SRS，多光束SRS更容易发生，且更具有威胁性。2.SRS处于强非线性区域。在目前的实验参数条件下SRS的动理学效应明显，因此需要厘清这些动理学效应间的关系，找到主导的动理学效应。3.SRS产生的超热电子越来越重要，但超热电子产生机制、能谱和份额等问题依然没有很好地解决。本项目将深入研究ICF中SRS的基本性质，包括多光束下的SRS，动理学效应对SRS的影响以及SRS产生超热电子的机理，最终获得与实验相匹配的SRS基本演化规律和超热电子特征。

受激拉曼散射(SRS)是激光驱动惯性约束聚变(ICF)中的关键问题之一。现阶段的ICF研究具有激光更强、激光束更多、等离子体密度标长更长、温度更高等特点，这为SRS研究带来了新的挑战。该项目基于现阶段点火尺度下激光和等离子体参数，系统地研究了SRS四方面的问题，包括多光束SRS的理论和模拟研究、朗缪尔波的动理学效应及其对SRS的影响、SRS与其他不稳定性相互作用及其超热电子产生机制以及SRS的抑制机理研究。. 首先我们建立了一套从理论上给出了均匀等离子体中对于任意多束光交叠时参量不稳定性的色散关系的模型，利用该模型我们可以给出任意交叉光束位形、任意偏振状态时激发SRS或SBS的一般色散关系及其求解方案。我们利用二维粒子模拟验证对该模型进行了验证。基于该模型我们与中国工程物理研究院激光聚变研究中心合作，开展理论和实验的结合工作，为我国激光聚变实验提供了一定的指导作用。. 其次我们自主开发了一套二维静电Vlasov-Poisson模拟程序，利用该程序研究了朗缪尔波的不稳定性问题。我们发现主导朗缪尔波演化的主要动理学效应为非线性频率平移及其导致的高维边带不稳定性，在后期朗缪尔波所产生的湍流行为使其谱展宽。在高维SRS粒子模拟中，我们观察到这些效应对SRS的饱和、谱展宽等的影响。高维Vlasov-Poisson程序在国际上鲜有涉及，我们的工作填补了我国这类程序的空白。. 再次我们针对目前点火尺度下的实验条件，研究了SRS与TPD这两种不稳定性的竞争关系，并和美国NIF的直接驱动实验结果有比较好的对应，从物理上给出了SRS主导不稳定性的一种可能物理解释。模拟中我们还获得了与实验较为相符的超热电子标度关系，这种标度关系对于今后实验探索超热电子的诊断也具有一定的指导意义。. 最后我们研究了多种可能抑制SRS的机制。通过理论和粒子模拟研究我们发现密度调制、外加磁场存在抑制SRS的可能，这为今后SRS的抑制研究提供了思路。