圖1 實驗原理示意圖

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室賓建輝研究員團隊在激光驅(qū)動離子加速方面取得新進展。相關(guān)研究成果分別以“Enhanced proton acceleration from an ultrathin double-foil target with circularly polarized laser pulses”和“On the study of proton acceleration from double-layer nanofoils”為題發(fā)表于Physics of Plasmas和AIP Advances。

激光驅(qū)動離子加速技術(shù)因超強超短激光技術(shù)的迅速進展而受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)產(chǎn)生的高能離子束具有獨特的“布拉格峰”能量沉積特性，使其在生物癌癥治療、溫稠密物質(zhì)制備及快點火方案等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，當前激光等離子體實驗產(chǎn)生的高能離子束在能量上仍難以滿足實際應(yīng)用需求，因此如何提升離子束能量成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。

針對這一問題，研究團隊提出一種新型雙層納米薄膜靶結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可顯著提升激光驅(qū)動質(zhì)子加速的能量輸出。該結(jié)構(gòu)由兩層納米厚度薄膜組成，其物理機制在于：激光脈沖在通過第一層納米靶時，由于自聚焦效應(yīng)的存在導致激光脈沖光強顯著增強;同時，自相位調(diào)制效應(yīng)的產(chǎn)生使脈沖前沿變得更為陡峭。這種經(jīng)過時空整形的激光脈沖非常有益于輻射壓加速的產(chǎn)生，從而在與第二層納米靶相互作用時實現(xiàn)了更高能量的質(zhì)子加速。實驗結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的單層靶，該雙層納米薄膜靶可將質(zhì)子束能量提升2.7倍，同時加速產(chǎn)生的質(zhì)子總數(shù)增加了近6倍。這一重要發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化激光驅(qū)動離子加速提供了新的思路，同時證實了發(fā)展高性能激光質(zhì)子源可行性。

為進一步揭示雙層靶結(jié)構(gòu)對激光質(zhì)子加速的物理機制，推動其在更廣泛激光裝置中的應(yīng)用，研究團隊在上述研究的基礎(chǔ)上，采用二維粒子模擬(Particle-in-cell, PIC)方法對激光質(zhì)子加速的雙層靶參數(shù)進行了深入研究。模擬結(jié)果顯示：膨脹的第一層靶存在最優(yōu)參數(shù)，使得激光脈沖在經(jīng)過第一層靶后得到最大的激光脈沖光強提升;第二層靶參數(shù)依賴于激光脈沖參數(shù)，當滿足特定平衡條件時，可實現(xiàn)激光加速質(zhì)子能量的最大增強。該研究為增強激光質(zhì)子加速的靶材設(shè)計提供了重要的參考，對推動激光驅(qū)動離子加速走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要價值。

圖2 不同激光強度條件下雙層靶(實心方格)和單層靶(空心方格)的最大質(zhì)子能量與等離子體參數(shù)的關(guān)系

相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。

審核編輯 黃宇