近日，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超強渦旋激光物理研究團隊在利用超強拍瓦(PW)渦旋激光驅動聚束質子加速實驗方面取得重要進展，相關成果以“Enhanced proton acceleration via Petawatt Laguerre–Gaussian lasers”為題，在Communications Physics發表。
 

　　隨著超強超短激光技術的飛速發展，實驗室激光強度已突破 1022 W/cm2。利用此類激光驅動的離子源，因其具備短脈沖、高束流密度和低發散角等優異特性，在質子癌癥治療、質子成像、中子源產生、溫稠密物質制備、慣性約束聚變靶的“快速點火”方案以及離子加速器粒子源注入等領域展現出廣闊的應用前景。然而，這些應用通常對束流品質有嚴格要求，降低離子束發散角以提高束流亮度和能量是核心挑戰之一。
 

　　2000年以前，實現低發散角離子束頗具難度，因為當時的強激光主要與厚固體靶、氣體噴流或亞微米團簇相互作用，產生的離子束通常呈各向同性分布。技術轉折點出現在2000年。三個獨立實驗組發現，當高強度激光照射薄固體靶時，能在靶背法線方向產生MeV量級的準直質子束。這一機制被命名為靶后法向鞘層加速(Target Normal Sheath Acceleration, TNSA)，現已成為激光驅動離子加速領域中最成熟且應用最廣泛的機制。盡管TNSA機制能夠實現沿靶背法線方向的定向質子加速，但早期實驗獲得的質子束發散角普遍較大(通常超過10°)，仍難以滿足上述特定應用對束流品質的嚴苛要求。
 

　　近期，團隊在上海超強超短激光實驗裝置(SULF)上將之前已經實現的超強渦旋激光(LG 激光)強度【Phys. Rev. Lett. 122, 024801 (2019); Phys. Rev. Lett. 125, 34801 (2020)】提升至 ~3×1020 W/cm2 量級。利用其特有的相位奇點與環形光強分布，團隊成功調制預等離子體靶結構，實現 35MeV 質子束加速，并將發散角壓縮至 <2°(當前強激光驅動平面靶的最好實驗結果)，同時使最高截止能量較高斯激光提升 60% 且粒子束通量顯著增加。研究成果表明，未來獲取同等質子束參數時，可大幅降低對激光器重復頻率的要求，對高重頻粒子源在聚變“快點火”、高對比度質子成像、傳統加速器粒子束高效注入等領域的應用具有重要價值。
 

　　相關研究得到了中國科學院戰略重點研究項目、國家自然科學基金項目、上海市自然科學基金項目、中國科學院國際合作項目、先導A的支持。(超強激光科學與技術全國重點實驗室供稿)
 

圖1. 超強LG激光產生及其驅動質子加速實驗布局圖。
 

圖2. 超強LG激光驅動質子加速在發散角和能量方面與高斯激光情況的對比。