美国LLNL研究揭示NIF惯性约束聚变实验中激光偏振效应新机制

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员近日在国家点火装置(NIF)相关研究中发现，激光偏振状态可能影响惯性约束聚变实验中的交叉光束能量转移(CBET)过程，并有助于降低背向散射及光学元件损伤风险。相关论文题为《激光偏振效应对惯性约束聚变中交叉光束能量转移的影响》，近期作为专题文章发表在《等离子体物理学》杂志上。

NIF实验对激光控制精度要求极高。该装置的192束激光束需被聚焦至几毫米宽，并通过位于金制黑腔顶部或底部、直径约3毫米的孔进入靶区。黑腔直径约2厘米。激光进入等离子体后，不同光束会相互交叉并发生能量传递，这一过程被称为交叉光束能量转移。科学家在设计NIF惯性约束聚变实验时，会细致调节激光波长，以借助CBET平衡能量分布、改善内爆对称性。

研究团队关注的问题是：如果改变的不只是激光波长，而是激光偏振状态，实验结果会发生怎样的变化。论文第一作者、LLNL物理学家皮埃尔·米歇尔表示，改变偏振状态可能使光学器件更能抵抗丝状化损伤，但同时也需要评估这一变化对实验其他环节带来的影响。研究人员在分析CBET效应时发现，圆偏振光可能导致更少的背向散射，从而降低光学元件受损风险。

在NIF黑腔中，以相同角度进入的激光束会形成光锥区域，并在其中发生锥形光束能量转移。如果同一光锥内不同光束之间的能量差异过大，可能诱发反向散射不稳定性，进而加剧对NIF光学系统的损伤。

图中展示了NIF靶室中96束下半球光束的分布图，颜色编码代表CBET功率倍增器。左图显示了圆偏振光的影响，其内部锥体的变化较小;右图则显示了线偏振光的影响

米歇尔及其团队通过CBET模拟比较了线偏振光和圆偏振光的差异。结果显示，圆偏振光能够减少同一光锥内光束之间的能量差别，从而改善CBET表现。模拟图像也显示，相较线偏振光，圆偏振光条件下内部光锥的变化较小。

不过，将圆偏振光应用于NIF并不简单。实现这一目标需要特殊波片元件重新定向透射光的电磁场分量。NIF首席激光系统工程师兼激光科学与系统工程联合项目主任让-米歇尔·迪·尼古拉表示，目前尚无已知的直接方法能够制造满足NIF孔径尺寸和性能要求的四分之一波片，团队正在研究潜在制造方案，其中包括利用已获专利的超表面技术。

研究团队下一步计划在较小规模的设施上开展专门实验，例如LLNL的木星激光设施，以验证圆偏振条件下CBET的新理论。同时，研究人员还将继续在模拟代码中加入更多物理效应，进一步完善相关模型。