近日，中山大學(xué)理學(xué)院趙耀副教授團隊與中科院上海光學(xué)精密機械研究所崔子健副研究員和南京工程學(xué)院趙斌副教授合作，提出了慣性約束聚變中非共線多色光（NCPL）的參量不穩(wěn)定模型以及大寬帶NCPL的產(chǎn)生方案，文章已在Nuclear Fusion上發(fā)表。該項研究表明，通過引入空間角度可以減弱激光等離子體不穩(wěn)定（LPI）的波矢耦合強度，從而降低LPI的增長率和飽和幅度。

文章首次提出了多光束構(gòu)型下，任意入射頻率激發(fā)的LPI完整模型，其中包括受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、交叉光束能量轉(zhuǎn)移（CBET）以及雙等離子體衰變（TPD）。NCPL參量模型表明，當(dāng)兩束光的角度大于約等于4°時，它們在波矢耦合上的匹配程度會減弱。因此，相對于普通的共線多色光（CPL），驅(qū)動LPI的有質(zhì)動力會進(jìn)一步降低。該模型正確解釋了多光束構(gòu)型下集體模式的產(chǎn)生機制，與粒子模擬結(jié)果符合得很好。以SRS為例，當(dāng)兩束光的頻率差小于一定閾值時，其中一束入射光激發(fā)的散射光會與另一束入射光相互作用產(chǎn)生共用子模式。通過引入兩束光之間的頻率差可以降低耦合強度。關(guān)于SBS的NCPL模型可以得到CBET的線性增長率，有助于理解多光束能量轉(zhuǎn)移的物理機制。文章首次得到的NCPL激發(fā)TPD的參量模型表明，頻率差足夠大的寬帶光可以在相空間中分離兩束入射光激發(fā)的TPD不穩(wěn)定區(qū)域，從而降低光束之間的耦合度以及總的飽和幅度，如圖1所示。

圖1  NCPL激發(fā)的TPD不穩(wěn)定相圖

之前的CPL方案是將不同頻率的子光束分別進(jìn)行參量放大和三倍頻轉(zhuǎn)換，最后通過合束來產(chǎn)生單一的多色光，這導(dǎo)致了系統(tǒng)的冗雜和轉(zhuǎn)換效率低下。據(jù)此我們提出了產(chǎn)生頻率差為1%的新型NCPL方案，使得晶體數(shù)量得到了有效控制，具體如圖2所示。該方案主要涉及的非線性光學(xué)過程有非飽和參量放大和非共線和頻（NCSFG），兩束不同頻率的子光束最終通過二倍頻泵浦光與1035 nm和1072 nm基頻光的NCSFG過程在同一塊DKDP晶體中產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的驅(qū)動器方案相比，只有三倍頻過程被NCSFG代替，因此兩者的轉(zhuǎn)換效率是相當(dāng)?shù)摹?/p>

圖2 NCPL光學(xué)方案

NCPL模型有利于推動當(dāng)下集束LPI的研究，同時當(dāng)NCPL的頻率差滿足一定條件時，可以有效控制慣性約束聚變中的LPI過程。文章提出的產(chǎn)生大寬帶NCPL的方案，其轉(zhuǎn)換效率與傳統(tǒng)驅(qū)動器相當(dāng)，因此有可能實現(xiàn)皮實、高增益的慣性約束聚變點火。中山大學(xué)理學(xué)院正在逐步推進(jìn)100 J量級多色紫外激光平臺的建設(shè)，相關(guān)工作對于NCPL參量模型的研究與方案驗證具有重要的推動作用。