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近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室研究團隊提出了一種基于啁啾脈沖的慣性約束聚變實驗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清潔能源的理想來源，其中激光慣性約束聚變（ICF）是一種重要技術(shù)路徑。2022年，美國國家點火裝置首次實現(xiàn)聚變能量輸出超過輸入，標(biāo)志著重要突破。ICF過程受多種不穩(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形成的等離子體臨界面至關(guān)重要。

研究團隊提出一種基于啁啾脈沖的慣性約束聚變實驗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飛秒激光裝置開展實驗，驗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，實驗中得到的光譜測量結(jié)果和光譜理論模擬結(jié)果對比如圖2所示，紅色曲線為實際測量得到的探針光光譜，藍色曲線為模擬計算得到的探針光光譜。圖2左側(cè)（a）（c）（e）中的藍色曲線為不考慮臨界面表面形貌通過模擬計算得到的結(jié)果；右側(cè)（b）（d）（f）中的藍色曲線則為考慮臨界面表面形貌后通過模擬計算得到的結(jié)果，對比測量結(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）為探針光相對與驅(qū)動激光延遲250 ps時，（c）（d）為探針光相對與驅(qū)動激光延遲940 ps時，（e）（f）為探針光相對與驅(qū)動激光延遲1035 ps時。臨界面膨脹速度和數(shù)值模擬結(jié)果的對比如圖3所示，測量結(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，通過此診斷方法，成功實現(xiàn)了對靶演化過程的時間分辨成像。

該診斷方法填補了對于等離子體臨界面演化的認知缺乏，揭示了等離子體臨界面的演化規(guī)律，測量得到了臨界面的膨脹速度，并且實現(xiàn)了對靶演化過程的時間分辨成像。該診斷方法為ICF物理機制提供了新的研究視角，有助于優(yōu)化驅(qū)動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)爆動能的轉(zhuǎn)換效率，為最終實現(xiàn)點火奠定基礎(chǔ)。

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

原文鏈接

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

圖2 對比光譜測量結(jié)果和光譜理論模擬結(jié)果

圖3 通過自相關(guān)信號測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（藍色曲線）

圖4 （a）無驅(qū)動激光時的CCD圖像。（b）有驅(qū)動激光時的CCD圖像