近日，来自日本关西光子科学研究所国立量子科学技术研究院的Mamiko Nishiuchi教授团队在Light: Science & Applications上发表了题为 “Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities”的高水平文章。日本关西光子科学研究所的Nicholas P. Dover博士和德国德累斯顿工业大学(HZDR)的 Tim Ziegler博士为本文的共同第一作者，Mamiko Nishiuchi教授为本文的通讯作者。此外，英国帝国学院布莱克特实验室约翰·亚当斯加速器科学研究所和日本九州大学也对本文做出了贡献。
研究背景
可靠的高质量、高功率激光器的出现使其在粒子加速方面的应用取得了快速的发展。进一步的，随着超强激光脉冲传输性能的改进以及控制极端电磁场与物质相互作用技术的突破，激光驱动离子源技术也得到了巨大的发展。基于激光加速离子束的独特特性，该技术可以广泛应用于高能量密度物理实验的射线照相、超快材料响应研究、材料加工和高剂量率放射生物学等领域。
激光驱动离子源的传统方式是靶标法向鞘层加速度（TNSA）。激光照射薄箔片时，电子在薄箔片的前表面吸收激光的能量，并离开焦点。当它们离开目标时，电荷注入驱动准静态电场，加速表面离子，最大质子能量能超过70 MeV。然而，该机制存在的适量强度缩放使得进一步增加离子束能量具有挑战性。为了提高离子束的能量，需要使用超强脉冲进行加速，同时由于薄箔非常脆弱，还需要激光脉冲具有超高的时间对比度。此外，使用真实激光参数的实验和模拟表明，难以在激光脉冲的整个持续时间内实现相干加速。相反，目标的不稳定性和目标电子的加热会导致快速膨胀，降低等离子体的核心密度并削弱加速效果。最终，电子密度降至相对论修正临界密度以下。已有的研究表明，对于在相对论诱导透明（RIT）状态下驱动的目标，其他加速机制也可以产生高离子能量，包括体积增强的鞘加速、磁涡流加速（MVA）等。RIT系统中的实验表明，使用高能量、皮秒级激光系统可以产生碳离子超过1 GeV、质子束接近100 MeV的离子束，证明了RIT在广泛激光强度范围内的重要性。
此外，激光驱动离子源的许多应用需要从单次原理验证研究过渡到可持续重复操作。目前，高重复率的实现需要使用飞秒级高功率激光驱动器，与典型的皮秒级系统相比，飞秒激光驱动器可以提供高强度但适度的激光能量。因此，使用飞秒激光器优化离子生成，特别是研究RIT机制以最大化离子能量具有重要意义。
创新研究
激光驱动离子源技术用于产生高能量、高峰值的离子束，在材料学、超快激光学等领域有十分重要的应用。由于该技术对激光能量、时间对比度、光源的稳定性和可控性提出了苛刻的要求，从而无法在具有其他类似参数的独立激光系统上复制离子加速性能。
图1. 实验结构图。(a) 激光以45°照射到聚乙烯醇缩甲醛薄箔上，通过两个辐射变色膜（RCF）堆叠在空间上检测加速粒子。当不使用RCF时，磨砂玻璃屏幕漫散射透射的激光，以便通过CCD摄像机进行检测。(b) 分别通过三阶自相关和光谱干涉法测量的激光脉冲在低于70ps和低于1ps尺度（插图）上的时间强度对比度。(c) 主脉冲到达前目标的前脉冲诱导扩展图示。
Mamiko Nishiuchi教授团队针对这一问题，提出了一种基于相对透明箔驱动、增强的新型离子加速装置，并开展了一系列实验。在实验中，当研究人员使用大于1021W/cm2 的激光强度照射亚微米厚度的聚乙烯醇缩甲醛薄箔时，该系统能够产生超过60 MeV的高能质子以及超过30 MeV/u的完全电离的碳离子。
图2. 加速离子的实验观察。(a) 对于不同的靶厚度d，TPS探测器上记录的每个核子的最大离子能量。(b) 来自RCF的质子光谱，结合两个RCF堆栈上的信号，用于三个示例靶厚度。(c) 对于d=250 nm，不同能量下的质子束空间分布。
图3. (a) 在脉冲峰值前50 fs存在激光前脉冲（虚线/圆圈）和不存在（虚线/三角形）时的仿真结果对比图，图中展示了最大碳和质子能量以及透射激光能量随目标厚度的变化。(b) 对于不同的靶厚度，在脉冲峰值到达之前35 fs的电子密度线。对于d=60nm，靶已经是透明的，导致电子聚束。
具体而言，研究人员通过仔细选择与激光对比度相匹配的箔片厚度，从而为相对透明度制备目标密度，避免了对等离子镜系统的需要。离子被一个极端的局部空间电荷场加速，其速度是传统加速器的100万倍。该场是由相对论诱导的透明度导致电子从靶体快速排出而形成的，其中折射率的相对论修正使得激光能够通过通常不透明的等离子体传输。
图4. 最佳目标厚度下激光等离子体相互作用的动力学研究。(a) 当脉冲峰值到达时，在t = 0处的250 nm厚度目标的Ey、Ex和碳/质子密度的二维图(z=0)。固体（虚线）轮廓给出了相对论（经典）临界电子密度。(b) 当主脉冲相互作用结束时，即t = 70 fs处，展示了在热鞘场中分离的离子加速情况。
研究者通过流体动力学和3D粒子胞内（PIC）模拟验证了实验结果，结果表明，当箔变透明时，由于电子排出而产生的极端空间电荷感应电场加速了大多数能量粒子，随后在扩散鞘层中进一步加速。研究人员在两个不同的激光系统上复制了这种机制，突出验证了该机制的鲁棒性。通过主动控制激光对比度，可以证明当减少激光前脉冲量时，最佳目标厚度会减小。这些结果表明，高能离子可以通过该机制在不同对比度下加速，从而放宽了激光驱动离子源技术对激光的要求，并表明了实现特定应用光束传输的参数，为开发利用相对诱导的透明度机制的高重复率激光驱动离子源技术铺平了道路。
该研究成果以“Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities”为题发表在《Light: Science & Applications》。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01083-9
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