交叉光束下的共用散射光波受激布里渊散射研究

引子

一百年前（1922年），法国物理学家莱昂·布里渊（Léon Brillouin）首次描述了布里渊散射。布里渊散射有自发散射和受激散射两种表现形式。激光诞生（1960年）后，布里渊散射成为研究气体、液体和固体中声学振动的实用手段。受激布里渊散射（SBS）最早于1964年被发现，吸引了全球众多科研机构和研究人员的兴趣和关注，其相关研究几乎与激光同步发展。

北京应用物理与计算数学研究所郝亮博士为通讯作者的论文“Collective stimulated Brillouin scattering modes of two crossing laser beams with shared scattered wave”发表于MRE2021年第6期，该文对于理解和抑制惯性约束聚变中多光束激发的SBS过程具有重要意义，且行文优美，富有趣味。值此布里渊散射概念百年之际，本公众号特发表该文第一作者邱捷对团队该项研究工作的介绍如下。

交叉光束下的共用散射光波受激布里渊散射研究

高功率激光与等离子体相互作用在激光惯性约束聚变、实验室高能量密度物理、实验室天体物理等领域都有广泛的应用。特别是在激光聚变中，由于单束激光器件具有一定的能量极限，为了提供点火需要的兆焦级能量，只能采用多束激光注入的方式。在光束重叠的空间内，不同光束通过与电子等离子体波、离子声波的耦合，会产生多种多光束激光等离子体不稳定性（LPI），而共用散射光波的受激布里渊散射（SL-SBS）是其中一种重要的不稳定性过程。一方面，这种SL-SBS过程会产生散射光造成激光能量的损失，影响束间能量分布和光束内能量的分布；另一方面，SL-SBS的子波可能作为其它LPI过程的种子，在激光聚变中诱发更加复杂的不稳定性耦合过程，为实现点火带来一定的不确定性因素和风险。

尽管1992年Dubois与其合作者在理论上已提出此类SL-SBS过程，之后湖南大学和国防科技大学合作团队进一步研究了多束激光激发SL-SBS过程的色散关系和增长率，但以往的工作基于入射光束的对称性假设，主要关注共用散射光沿多束入射激光对称轴方向上传播的情况。在实际的情况下，由于不同光束之间的物理参数不可避免地存在差异，必然会对SL-SBS过程的增长模式产生影响。为了更好地理解SL-SBS过程，近期北京应用物理与计算数学研究所的邱捷博士和郝亮特聘研究员基于两交叉光束下SL-SBS过程对流增长的三维耦合模型，研究了光束交叉角、偏振方向、中心波长等关键物理参数对SL-SBS过程的影响。

图1 SL-SBS散射光方向随两束激光波长差的变化

研究表明，SL-SBS对两束光的中心波长差非常敏感，如图1所示，波长差为零时，共用散射光的波矢可能指向交叉光束的角平分面内的任何方向；随着波长差增加，共用散射光的波矢可能指向会朝长波长激光波矢方向收缩；当波长差超过临界值，由于入射激光与离子声波无法与共用散射光波形成匹配关系，SL-SBS模式将不会被激发。除两束光中心波长的差异外，偏振方向的差异也会影响SL-SBS的增长模式，如图2所示，一般当两束光的偏振方向相同时，SL-SBS的增长率最大；当两束光偏振方向垂直时，SL-SBS的增长率变为单光束SBS的增长率；当两束光偏振方向相对于激光入射面的垂线具有不同偏转角时，增长率最大的共用散射光波出射方向将脱离交叉光束所在的平面，具体出射方向与两束光夹角、及两束光偏振方向与入射面的夹角有关。