受激拉曼散射时空演化特征的一维模拟研究

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受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)是一个大振幅激光光波衰变为一个散射光波和一个电子等离子体波的三波共振过程,它发生在四分之一等离子体临界密度面以下。间接驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)中,点火黑腔内的等离子体密度一般在十分之一临界密度左右,电子温度为几个keV;激光强度约为1015W/cm2(三倍频),此时SRS处于对流不稳定性区域,SRS增长水平一般满足与激光强度、等离子体尺度和等离子体波阻尼的线性标度关系。但对较低温度,或局部光斑强(如成丝、或光束交叠引起)的等离子体区域,SRS可以进入绝对不稳定性区域。更普遍的是不稳定性处于绝对、对流的过渡区域,这时SRS的时空演化特征并不清楚。这使得评估黑腔中SRS的影响变得困难。另外当等离子体波振幅足够大时,非线性效应明显,此时粒子俘获导致的朗道阻尼变化、频率失谐会影响SRS的发生阈值、发展水平。  针对以上问题,我们编制了SRS三波耦合程序并改造了一维粒子模拟(Partcle-in-cell,PIC)程序,在一维构型下,研究了背向SRS在较广的激光等离子体参数范围内的时间、空间演化特征和变化规律,以及粒子捕获效应对SRS发生阈值、增长水平的影响,获得的主要研究成果和结论如下:  1)详细推导了SRS三波模耦合方程;理论给出不稳定性空间因了在不同发展阶段的表达式以及初始阶段的时间增长率,并用三波耦合程序和PIC程序进行了验证。研究表明必须考虑空间因子的作用才能得到正确的SRS时间增长率。  2)利用准线性近似,用一组简化的流体方程描述粒子捕获效应;建立等离子体波电场、朗道阻尼和等离子体波频移随时间演化的表达式,并耦合进三波耦合方程。发现考虑电子等离子体波的电场随时间演化时,朗道阻尼衰减得慢了。  3)在SRS绝对不稳定区域,利用PIC程序研究了不同等离子体空间尺度下不稳定性的增长率和散射水平。发现PIC中的噪声水平会影响不稳定性的空间因子进而影响不稳定性的时间增长率。在SRS对流不稳定性情况下,理论推导了散射水平与等离子体空间尺度的关系并用三波模拟进行了验证;  4)研究了SRS绝对不稳定和对流不稳定的区别以及它们之间的过渡特征。  5)利用三波模型研究固定失谐频率对SRS不稳定性时间增长率的影响。发现频率失谐提高了SRS的发生阈值并降低了SRS的增长率;对同样大小的频移,考虑空间因子后,不稳定性的发生阈值会明显增加。  6)研究了粒子捕获效应导致的朗道阻尼变化、频率失谐对SRS发生、发展的影响。发现这两种非线性过程是相互竞争的,某些情况下,朗道阻尼随时间减小对SRS的促进作用大于粒子捕获造成的频移对SRS的抑制作用。我们也利用PIC模拟验证了三波模拟给出的最大频移大小。
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