多光束激光等离子体不稳定发展和控制研究

Laser plasma instabilities are among the important nonlinear phenomena in plasma physics and they are among the critical science and technology issues related to laser driven inertial confined fusion as well. In particular, some experiments carried out on the NIF laser facility in the USA in the last few years indicate that the control of laser plasma instabilities is one of the key issues for the realization of inertial confined fusion. Focusing on stimulated Brillouin scattering (SBS) in laser plasma interactions, this project proposes to study theoretically and numerically the SBS nonlinear evolution and its control in large space and time scales of plasma. These include the development of a fluid simulation code, the SBS development and its coupling with the filamentation instability with high power laser beams in large scale of plasma, the beam energy transfer between crossing laser beams and its control, effects of beam smoothing in space (e.g., via random phase plates) and smoothing by spectral dispersion on single laser beam propagation and crossing beam interaction. Additional theory and simulation studies on SBS development and control will be carried out under real experimental parameters associated with the ShenGuang III laser facility by collaborating with some other domestic theory and experiment teams, which will provide theory support to related experimental investigation. This project will train a few young researchers in this field, which are urgently demanded in China.

激光等离子体不稳定既是等离子体物理中的重要非线性现象，也是与激光驱动惯性约束聚变密切相关的重要科学技术问题。特别是最近几年围绕着在美国NIF激光装置上的一些实验研究进展表明，对激光等离子体不稳定的控制成为实现惯性约束聚变的关键问题之一。本项目拟围绕其中大空间、时间尺度激光等离子体中受激布利渊散射（SBS）的非线性演化和控制开展理论和数值模拟研究。研究内容涉及流体模拟程序发展、强激光束在大尺度等离子体中SBS发展与成丝不稳定的耦合、研究交叉激光束在等离子体中的能量转移及其控制方法、具有空间束匀滑和频谱匀滑的激光束对单光束传输、交叉光束相互作用的影响。将与国内有关实验和理论团队合作，针对神光III参数条件下的SBS不稳定发展及其控制开展深入的理论和数值模拟研究，为有关实验提供理论支持。通过本项目的实施，也将为我国培养若干这方面急需的人才。

惯性约束核聚变研究有关未来能源、国家安全需求以及高能量密度物理科学前沿。本项目围绕惯性约束核聚变的核心问题，即激光等离子体不稳定非线性发展和抑制方法，开展了理论和数值模拟研究。研究内容涉及动理学-流体混合模拟程序发展，单束和多光束强激光在大尺度等离子体中参量不稳定（包括激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、双等离子体衰变（TPD））的发展及其抑制方法，宽带激光束对单光束传输、交叉光束相互作用的影响等。项目达到了预期的研究目标，所取得的主要进展包括如下四个方面。首先，提出了基于粒子-网格（particle-mesh）方案，来开发模拟不稳定性过程发展的动理学-流体混合模拟程序。该程序保留了常规流体模拟不能描述的动理学效应，同时其计算量与粒子模拟或弗拉索夫模拟相比大大减小，能够应用于长时间大尺度激光等离子体不稳定性问题。其次，针对激光等离子体不稳定性的非线性发展，揭示了SRS的级联过程能在大规模非均匀等离子体中产生很强的绝对不稳定，包含绝对SRS和TPD，其中绝对SRS能激发相速度约为0.58c的电子等离子体波；发现了超过四分之一临界密度等离子体中非本征模SRS产生机制。第三，发现宽带激光可以在非均匀等离子体中有效抑制SRS、SBS、TPD不稳定，而且这种抑制效应在多束激光作用下也是有效的，为未来新型激光驱动器的设计提供参考。第四，研究了基于强激光与等离子体作用通过光子减速产生的少周期中红外强激光脉冲、高亮度伽玛射线产生、超快强激光在等离子体中传输产生的脉宽压缩和自聚焦，对超快激光的应用和相关实验研究具有启发性。执行期间，共发表23篇研究论文（标注本项目资助），其中包括1篇Science Advances，1篇Light: Science & Applications，1篇PNAS，其他大多发表在国际专业学术刊物。另外，有两项发明专利申请获得授权，其中一项专利申请是在项目执行期间完成的。