近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于啁啾脈沖的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中等離子體臨界面演化的診斷方法。相關(guān)研究成果以“Ultrafast characterization of plasma critical surface evolution in inertial confinement fusion experiments with chirped laser pulses”為題發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

可控核聚變被視為未來(lái)清潔能源的理想來(lái)源，其中激光慣性約束聚變（ICF）是一種重要技術(shù)路徑。2022年，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置首次實(shí)現(xiàn)聚變能量輸出超過(guò)輸入，標(biāo)志著重要突破。ICF過(guò)程受多種不穩(wěn)定性影響，如激光分布不均、等離子體不穩(wěn)定和材料混合等，都會(huì)降低聚變效率。為提升能量傳輸效率，了解激光與靶材相互作用時(shí)形成的等離子體臨界面至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于啁啾脈沖的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中等離子體臨界面演化的新型診斷方法并依托于神光-II納秒激光裝置及神光-5 PW飛秒激光裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了診斷方法的有效性。該診斷方法的光路結(jié)構(gòu)如圖１所示，實(shí)驗(yàn)中得到的光譜測(cè)量結(jié)果和光譜理論模擬結(jié)果對(duì)比如圖2所示，紅色曲線為實(shí)際測(cè)量得到的探針光光譜，藍(lán)色曲線為模擬計(jì)算得到的探針光光譜。圖2左側(cè)（a）（c）（e）中的藍(lán)色曲線為不考慮臨界面表面形貌通過(guò)模擬計(jì)算得到的結(jié)果；右側(cè)（b）（d）（f）中的藍(lán)色曲線則為考慮臨界面表面形貌后通過(guò)模擬計(jì)算得到的結(jié)果，對(duì)比測(cè)量結(jié)果和模擬結(jié)果，可以看出二者吻合的很好，證明了該診斷方法的有效性。其中（a）（b）為探針光相對(duì)與驅(qū)動(dòng)激光延遲250 ps時(shí)，（c）（d）為探針光相對(duì)與驅(qū)動(dòng)激光延遲940 ps時(shí)，（e）（f）為探針光相對(duì)與驅(qū)動(dòng)激光延遲1035 ps時(shí)。臨界面膨脹速度和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比如圖3所示，測(cè)量結(jié)果表明臨界面膨脹速度在1×10?-2×10? m/s之間，該結(jié)果與先前的研究報(bào)道（DOI：10.1103/PhysRevLett.109.145006、10.1088/1742-6596/244/2/022044）一致。靶像如圖4所示，通過(guò)此診斷方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶演化過(guò)程的時(shí)間分辨成像。

該診斷方法填補(bǔ)了對(duì)于等離子體臨界面演化的認(rèn)知缺乏，揭示了等離子體臨界面的演化規(guī)律，測(cè)量得到了臨界面的膨脹速度，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶演化過(guò)程的時(shí)間分辨成像。該診斷方法為ICF物理機(jī)制提供了新的研究視角，有助于優(yōu)化驅(qū)動(dòng)激光的均勻性以及靶丸表面質(zhì)量，從而提高激光能量向內(nèi)爆動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率，為最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中匈國(guó)際合作等項(xiàng)目的支持。

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圖1 基于啁啾脈沖的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中等離子體臨界面演化的超快表征光路示意圖

圖2 對(duì)比光譜測(cè)量結(jié)果和光譜理論模擬結(jié)果

圖3 通過(guò)自相關(guān)信號(hào)測(cè)量得到的臨界面膨脹速度（紅色曲線）和數(shù)值模擬得到的結(jié)果（藍(lán)色曲線）

圖4 （a）無(wú)驅(qū)動(dòng)激光時(shí)的CCD圖像。（b）有驅(qū)動(dòng)激光時(shí)的CCD圖像