在二十世纪六十年代初，苏联科学家巴索夫和我国科学家王淦昌先生曾分别独立提出利用强激光实现惯性约束核聚变（以下简称“激光聚变”）的设想。激光聚变不仅有望为人类提供未来能源，而且是国家的重大战略需求。美国国家点火装置（NIF）的科学家已在实验中证实激光聚变实现净增益（点火）的可行性。为了激光聚变的能量耦合效率和可控性，以张杰院士为首的联合研究团队提出了新型激光聚变方案——“双锥对撞点火（double-cone ignition, DCI）”方案。该方案的主要物理过程如下：首先利用特殊整形的纳秒激光匀滑辐照金锥中的球壳靶，实现金锥内的球对称内爆压缩，以降低对驱动激光能量以及内爆均匀性的要求；然后通过两个相对的锥口喷出的等离子体对撞，形成等容分布的高密度等离子体，同时利用内爆动能向内能的转换，实现对撞等离子体的预加热；最后，再用皮秒拍瓦激光产生的快电子，在磁场的引导下，将对撞等离子体快速加热到点火温度。
在直接驱动激光惯性约束聚变研究中，激光能量吸收和激光-等离子体不稳定性对于聚变过程中内爆性能和等离子体流体动力学效率有重要影响。但是，由于对全球面的激光能量吸收和激光-等离子体不稳定性的准确诊断涉及了复杂的实验技术和对激光能量散射对称性的判断。因此这一问题需要在直接驱动激光聚变研究中深入探索。近期，由中国科学院物理研究所、上海交通大学等单位组成的DCI方案联合研究团队取得了重要进展，该团队研发的全球面散射光谱测量系统为上述研究带来了新的契机。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第6期的文章(Yihang Zhang, Zhe Zhang, Xu Zhao, Kevin Glize, Yufeng Dong, Xiaohui Yuan, Yutong Li and Jie Zhang, "Global scattered-light spectrography for laser absorption and laser–plasma instability studies," High Power Laser Sci. Eng. 12, 06000e84 (2024))。
该系统紧密结合神光-II升级装置的激光束排布与靶室几何结构，将60只反射式收集镜安装在球形靶室内壁的赤道面上方，用于收集靶室中心发出的光信号，如图1（a）所示。这些收集镜分布于#1、#3 和 #7 路激光之间，覆盖了探测球面的四分之一面积，以便基于激光辐照的对称性与靶的对称性外推全球面散射光谱信息。图1（b）展示了本轮实验所使用光纤的球面空间角度分布。光纤合束后经过20 m的光纤束将光信号传递至光谱仪，光谱信号由CCD相机记录，如图1（c）所示。
图1 60 通道光谱测量系统示意图
该系统用于神光-II升级装置上DCI方案第七轮实验（R7）中，锥形内爆压缩阶段激光能量吸收和散射光谱的测量。在图2（a）所示的散射光谱中，在入射激光351 nm波长附近信号含有激光直接反射、受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）和交叉束间能量转移（crossed-beam energy transfer，CBET）（图2（b））；在500–650 nm波段的连续谱源于受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS），其能量在侧向散射中占主导（图2（c））；在680–720 nm波段还可以观察到双等离子体衰变（two-plasmon decay，TPD）的二级散射分支（图2（d））。结合本系统与全口径背向散射系统测量结果，在单面驱动激光束叠合峰值功率密度5.7×1014 W/cm2的情况下，得到的全球面激光能量吸收率为 94.6%。
图2 a. 60通道光谱测量系统采集激光辐照金锥球壳靶的散射光原始图像. SBS、SRS以及 ω/2 -TPD的散射能量角分布分别如图b、c和d所示
该诊断的测量结果显示，在目前的实验条件下，DCI方案表现出较高的激光能量吸收水平和对光散射的有效控制。这些实验结果，为下一步DCI实验的高效率锥形内爆与对撞过程研究提供了关键信息。
作者简介
张杰，中国科学院院士，德国科学院院士，第三世界科学院院士，英国皇家工程院外籍院士，美国科学院外籍院士。曾担任上海交通大学校长和中国科学院副院长，目前担任中国物理学会理事长、上海交通大学学术委员会主任、李政道研究所所长。张杰教授在X射线激光和强场物理研究领域享有很高的学术地位和国际声望。曾因其学术成就荣获2015年爱德华·泰勒奖、2018年求是杰出科技成就集体奖、2021年未来科学大奖物质科学奖等奖项。
张喆，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。长期从事激光惯性约束聚变研究，在激光驱动超强磁场的产生和应用、内爆过程的流体不稳定性控制、激光等离子体参量不稳定性等领域开展了多项开拓性研究。共发表SCI收录的期刊论文100余篇，包括Sci. Rep., PRL, Nat. Commun. 等重要学术论文。目前承担国家自然科学基金、国家重大专项等科研项目。
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