The Scattered Light Time-history Diagnostic suite at the National Ignition Facility

Abstract

The Scattered Light Time-history Diagnostic (SLTD) is being implemented at the National Ignition Facility (NIF) to greatly expand the angular coverage of absolute scattered-light measurements for direct- and indirect-drive inertial confinement fusion (ICF) experiments. The SLTD array will ultimately consist of 15 units mounted at a variety of polar and azimuthal angles on the NIF target chamber, complementing the existing NIF backscatter suite. Each SLTD unit collects and diffuses scattered light onto a set of three optical fibers, which transport the light to filtered photodiodes to measure scattered light in different wavelength bands: stimulated Brillouin scattering (350 nm–352 nm), stimulated Raman scattering (430 nm–760 nm), and ω/2 (695 nm–745 nm). SLTD measures scattered light with a time resolution of ∼1 ns and a signal-to-noise ratio of up to 500. Currently, six units are operational and recording data. Measurements of the angular dependence of scattered light will strongly constrain models of laser energy coupling in ICF experiments and allow for a more robust inference of the total laser energy coupled to implosions.

Near forward scattering light of planar film target driven by broadband laser

“…美国国家点火装置(NIF)点火成功标志着惯性约束聚变(ICF)研究进入 了新的阶段。尽管点火成功了，但进一步的高增益点火研究依然任重道远，其中 的一些关键问题，如激光等离子体相互作用(LPI)仍然需要深入研究 [1][2][3] 。在 ICF 的间接驱动方法 [4] 中，黑腔内部充满了不同成分的等离子体，强光束必须通过这 些大尺度的等离子体才能将能量沉积在所需的位置 [5] ，被腔壁的高 Z 材料吸收并 将能量转化为软 X 射线，辐照在靶丸上，通过烧蚀压驱动聚变靶丸内爆 [6] 。其中， 激光穿过的大尺度等离子体长度约为数毫米，密度为钕玻璃三倍频激光的 10% 临界密度面附近。在此过程中会产生多种 LPI 过程，如背向的受激布里渊散射 (SBS) [7,8] 、受激拉曼散射(SRS) [9,10] 等过程会造成入射激光能量的直接损失； 而前向 [11] 和侧向 [12] 散射，会引起腔内等离子体分布混乱、超热电子预热靶丸等 现象，影响靶丸压缩不对称和内爆效果。因此，如何降低 SBS、SRS 等 LPI 相关 过程的份额，一直是重要的研究课题。 为了抑制 SBS、SRS 等 LPI 过程，数十年来国内外多家研究机构，从调整驱 动激光状态和优化等离子体状态两个方向出发， 进行了大量的理论和实验研究工 作 [13] 。在调整驱动激光状态 [14,15] 方面，发展了诸如时间上的光谱色散束匀滑 (SSD) 、 诱导空间非相干 (ISI) ， 空间上的连续相位板 (CPP) 、 随机相位板 (RPP) ， 以及偏振束匀滑(PS)等多种束匀滑手段；而在优化等离子体 [16] 方面，发展了 多种腔靶构型、多种充气方案等方式，来共同抑制 LPI 的相关过程。 多年来，激光技术的发展使得宽带激光由理论到实验再次进入人们的视野。 通过增加驱动激光的带宽， 可以减低驱动激光的相干性和等离子体感受到的有效 光强度，甚至可能破坏参量不稳定性的相位匹配条件，因此有望抑制相关过程的 发展。通常认为当激光带宽远大于参量不稳定的增长率时，参量不稳定的增长能 够得到有效抑制，为此，研究者们进行了大量的计算模拟工作。赵耀 [17][18][19] 等人利 用宽带解耦激光模型研究了宽带激光对于 SBS、SRS 和 TPD 的影响，周泓宇 [20] 等人发现宽带激光可有效抑制非线性时间点以前的 SRS 不稳定性，J. W. Bates [21] 等人模拟发现宽带激光需要 1.5%的带宽来降低绝对 TPD 和 SRS，刘庆康 [22] 等人 使用强度调制宽带激光模型证实了其抑制高频不稳定性的可行性。 这些研究结果 表明，驱动激光带宽的增加确实可能大幅度抑制 LPI 相关过程的发展，但这些研 究均为理论和数值模拟研究，并没有具体的实验数据支撑。 基于超辐射发光二极管(SLD)技术，上海激光等离子体研究所近年已建成 输出能量达到数百焦耳的宽带二倍频激光装置-"昆吾" [23] ，为宽带激光抑制 LPI 过程的实验验证提供了可靠的研究平台。在此激光平台上，Peipei Wang [24] 等人发现宽带激光器对背向 SBS 和背向 SRS 均有明显的抑制作用，同时发现了 超热电子的异常现象；Anle Lei [25] 等人针对宽带激光对于背向 SBS 和背向 SRS 的抑制作用做了初步的解释。本文中，基于"昆吾"激光装置，开展了宽带与窄 带激光分别驱动 C 8 H 8 平面薄膜靶的透过激光、前向散射、近前向散射的对比实 验研究 [26][27][28] ，通过对前向、近前向的 SBS、SRS 信号进行分析，对宽带激光产生 的 LPI 相关过程进行了初步探索。…”

Measurements of laser-plasma instabilities in double-cone ignition experiments relevant to the direct-drive conditions at Shenguang-II Upgrade laser facility

“…These findings highlight the particular importance of comprehensive characterization of the scattered lights in the experiments in order to get a global understanding of the LPI processes for specific laser-plasma conditions. Novel scattered light diagnostics with multiple-angle detection capability have been developed and implemented in dedicated laser facilities [37,38].…”

Measurement of Stimulated Raman Side-Scattering Energetic Importance in Directly Driven Experiment

“…Thus, comprehensive measurements of this mechanism and related losses are still not available. In order to improve the overall characterisation of SRS at non-typical angles, crucial new diagnostics are currently being implemented in order to provide further observations at additional angles of observations [21].…”