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全國重點實驗室賓建輝研究員團隊在激光驅動離子加速方面取得新進展。相關研究成果分別以“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”為題發表于Physics of Plasmas和AIP Advances。
 

　　激光驅動離子加速技術因超強超短激光技術的迅速進展而受到廣泛關注。該技術產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、溫稠密物質制備及快點火方案等領域展現出巨大的應用潛力。然而，當前激光等離子體實驗產生的高能離子束在能量上仍難以滿足實際應用需求，因此如何提升離子束能量成為該領域的研究熱點之一。
 

　　針對這一問題，研究團隊提出一種新型雙層納米薄膜靶結構設計方案，可顯著提升激光驅動質子加速的能量輸出。該結構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，由于自聚焦效應的存在導致激光脈沖光強顯著增強；同時，自相位調制效應的產生使脈沖前沿變得更為陡峭。這種經過時空整形的激光脈沖非常有益于輻射壓加速的產生，從而在與第二層納米靶相互作用時實現了更高能量的質子加速。實驗結果表明，相較于傳統的單層靶，該雙層納米薄膜靶可將質子束能量提升2.7倍，同時加速產生的質子總數增加了近6倍。這一重要發現為優化激光驅動離子加速提供了新的思路，同時證實了發展高性能激光質子源可行性。
 

圖1 實驗原理示意圖
 

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

　　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)的最大質子能量與等離子體參數的關系
 

　　相關工作得到了國家重點研發計劃、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會等項目的支持。