圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賓建輝研究員團(tuán)隊(duì)在激光驅(qū)動(dòng)離子加速方面取得新進(jìn)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(dòng)離子加速技術(shù)因超強(qiáng)超短激光技術(shù)的迅速進(jìn)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(dú)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(diǎn)火方案等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，當(dāng)前激光等離子體實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高能離子束在能量上仍難以滿足實(shí)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(diǎn)之一。

針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型雙層納米薄膜靶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可顯著提升激光驅(qū)動(dòng)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(jī)制在于：激光脈沖在通過第一層納米靶時(shí)，由于自聚焦效應(yīng)的存在導(dǎo)致激光脈沖光強(qiáng)顯著增強(qiáng);同時(shí)，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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了更高能量的質(zhì)子加速。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)離子加速提供了新的思路，同時(shí)證實(shí)了發(fā)展高性能激光質(zhì)子源可行性。

為進(jìn)一步揭示雙層靶結(jié)構(gòu)對激光質(zhì)子加速的物理機(jī)制，推動(dòng)其在更廣泛激光裝置中的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(qiáng)提升;第二層靶參數(shù)依賴于激光脈沖參數(shù)，當(dāng)滿足特定平衡條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)激光加速質(zhì)子能量的最大增強(qiáng)。該研究為增強(qiáng)激光質(zhì)子加速的靶材設(shè)計(jì)提供了重要的參考，對推動(dòng)激光驅(qū)動(dòng)離子加速走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要價(jià)值。

圖2 不同激光強(qiáng)度條件下雙層靶(實(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇