激光等离子体次级不稳定性及其耦合过程研究

Laser plasma instabilities (LPI) are important process in laser fusion. Besides the famous primary instabilities such as stimulated Raman scatter (SRS), stimulated Brillouin scatter (SBS), and two-plasmon decay (TPD), some secondary instabilities, such as Langmuir decay instability (LDI) and re-scatter of scattered light, can be stimulated by the Langmuir wave or scattered light of the primary instabilities under the high laser power condition. The secondary LPIs are important part in study of the multi-type LPI coupling process. Under certain conditions, the secondary instabilities can saturate some primary LPIs such as SRS and TPD, or induce some other LPIs such as SBS etc. In this project, we will investigate the secondary LPIs and their coupling process based on different laser and plasma parameters. Comprehend the competition among different LPIs and analyze the transfer of energy among the pump laser, scattered light, Langmuir wave, and ion-acoustic wave. Explore the change of plasma conditions and the nonlinear kinetic effects due to the secondary LPIs, and estimate the influence of these phenomena on the whole coupling process. Establish the multistage heating mechanism of electrons in the LPI coupling process. Study the generation mechanism and energy spectrum distribution of hot electrons. Provide scientific references to the ignition design and experiments in China.

激光等离子体不稳定性（LPI）是激光聚变中重要的物理过程。除了受激拉曼散射、受激布里渊散射、双等离子体衰变等初级LPI外，在高强度激光条件下，初级LPI中的朗缪尔波或散射光波还可以作为泵浦源激发朗缪尔波衰变不稳定性、散射光重散等次级LPI过程。次级LPI既可以作为饱和机制限制一些初级LPI的发展，又可以作为种子源激发或加强一些初级LPI的增长，是LPI研究的重要组成部分。本项目拟针对次级LPI发展，及次级LPI与初级LPI的耦合演化，开展理论与数值模拟研究，理解多种LPI之间的相互激发与竞争机制，理清能量在驱动激光、散射光、朗缪尔波、离子声波之间的传递规律与分配关系，探索次级LPI引发的等离子体状态变化和非线性动理学效应，以及这些效应在非线性演化阶段对LPI耦合过程的影响，建立耦合过程中电子多级加速的物理图象，认识高能热电子的产生机制和能谱结构，为激光聚变的物理设计和实验研究提供理论依据。

激光等离子体不稳定性（LPI）是制约激光聚变实现高增益点火的关键因素之一。其中初级LPI由激光作为泵浦源直接激发，而次级LPI则由初级LPI过程中的子波作为泵浦源激发产生。多种初级LPI与次级LPI的耦合过程非常复杂，是激光聚变研究的重点、难点问题。围绕该问题，本项目的研究成果主要包括：（1）明确了均匀等离子体中受激拉曼散射（SRS）激发电子束声模、粒子俘获不稳定性、朗缪尔衰变不稳定性（LDI）等次级LPI的参数区间，理清了这些过程对SRS非线性演化的影响。（2）解析给出了SRS激发受激拉曼再散射（Re-SRS）的参数空间，提出了在上升密度激光通道中Re-SRS和级联LDI使背向SRS散射光峰值波长蓝移的新机制。（3）理论预测了SRS激发的受激布里渊再散射过程并完成了模拟验证。（4）理清了粒子俘获和次级谐波在受激布里渊散射（SBS）增长过程中不同阶段所起的重要作用。（5）模拟验证了采用混频激光入射抑制背向散射的有效性，揭示了该方案中不同频率激光共用散射光波的风险。（6）开展了神光装置LPI实验的理论分析，解释了背向散射光谱和份额的变化规律。（7）提出了时变旋转偏振激光匀滑方案，模拟验证了该方案抑制LPI的有效性。（8）研究了不同阶超高斯电子分布函数对背向散射和次级LPI的影响，从该角度解释了实验与模拟的差异。（9）给出了等离子体中发生光束偏折的条件判据，以及利用谱色散匀滑抑制光束偏折的有效带宽条件。（10）构建了重叠的两光束作用下共用离子声波和共用散射光波SBS的三维解析模型，明确了光束交叉角、波长差以及偏振方向对两种多光束SBS过程的影响，理论预测了特定激光条件下非共面散射光模式的增长。此外，基于物理认识的提升改进了FLAME和HLIP程序，并编制了新的VlaMaxW程序。本项目的开展与研究，不仅加深了对初级LPI与次级LPI耦合过程的理解，解释了实验中遇到的诸多疑难问题，还给出了抑制LPI的新理论方案和指标，研究成果具有重要的科学意义，部分内容已应用到我国激光聚变设计中，并为相关实验工作提供了有意义的参考。