值中山大学建校百年之际，理学院赵耀副教授团队与上海激光等离子体研究所雷安乐研究员团队、上海光学精密机械研究所康宁副研究员、刘会亚副研究员等研究人员合作，在提升惯性约束能源的激光利用率等方面取得了重要进展。
自2022年底美国国家点火装置成功实现聚变增益大于1的历史性突破后，众多聚变能源科技公司相继成立，惯性约束能源的研究吸引了大量关注。受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）是导致直接驱动中激光能量大量损失的主要参量不稳定。2024年初，上海激光等离子体研究所组织的联合研究团队基于昆吾激光装置首次在实验上证实了高功率宽带激光能有效提升直接驱动构型下的激光利用率，工作发表在Physical Review Letters上，中山大学理学院为共同通讯单位。该联合研究团队近期在实验上进一步证实了，激光利用率会随着宽带的增大而显著提升，相关工作即将发表。作为基础问题，构建非均匀等离子体中宽带激光控制SBS的理论模型，对于实验的分析以及未来驱动装置的升级至关重要。
近期，赵耀副教授及其合作者构建了宽带激光在非均匀等离子体中激发SBS的严格理论模型，解释了不同频率的光束耦合激发SBS集体模式的物理机制，该理论适用于任意轮廓的离散和连续型光谱。文章结合束匀滑的低相干光模型描述对实验进行了系统性地分析，并对激光和等离子体参数的影响进行了全面的总结，理论模拟表明在点火条件下，低相干光能极大提升入射激光的能量利用率，并且其快速变化的散斑结构对流体不稳定也具有一定的抑制潜力。文章以“Mitigation of stimulated Brillouin scattering in inhomogeneous plasmas by broadband lasers”为题发表在Physical Review E上。
窄带光和低相干光激发的SBS背散光时间分辨图
当不同频率的子光束所对应的色散极点均位于SBS某一散射光的积分路径上时，这些子光束会耦合激发这一散射模式。理论推算表明，子光束耦合激发SBS的增益系数与同能量的窄带激光激发SBS的增益系数相等。每一个散射光模式对应一个有限的频率积分宽度。因此，一束宽带光可以看成多个频率不同的子光束，每一子光束的能量等于频率积分宽度内的子光束总能量。以平台光谱为例，文章给出了包含带宽效应的增益系数，结果表明在直接驱动条件下，如果带宽大于离子声速和光速的比值，即可有效降低SBS的反射率。模拟结果同时表明，带宽的引入使得焦平面上的散斑分布快速变化，其时间尺度小于SBS的增长率，因此空间的匀滑性进一步降低了SBS和成丝的强度。文章还对不同激光等离子体参数对抑制效应的影响进行了研究，与理论模型进行了对比分析。该研究成果可以用于非均匀等离子体中交叉光束能量转移物理机制的研究。
审稿人对该工作给予了高度评价：“This is a timely and relevant problem, as public fusion efforts and private fusion companies examine scaling up LDD-ICF systems to achieve ignition and/or high gain. The manuscript is high quality, thorough, and suitable for publication.”“The subject of the paper is important and can meet significant interest in the ICF-related community. The theoretical model and results in Section II are clearly described, and the overall conclusions in the paper look reasonable to me.”“It will be important and timely publication considering significant interest in the ICF community to mitigating LPI using broad-band lasers.”
（“这是一个及时且相关的问题，因为主流的聚变研究和私营聚变公司正在分析尺度接近于直接驱动点火规模的系统，以实现点火和/或高增益。稿件的质量高，内容全面，适合出版。”“该论文的主题很重要，会引起ICF领域相关研究人员的极大兴趣。第二节的理论模型和结果描述清晰，论文的总体结论在我看来是合理的。”“这将是重要和及时的出版工作，因为ICF领域对使用宽带激光减缓激光等离子体不稳定具有极大兴趣。”）
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.035102
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