解析高能激光系统离子加速机制研究最新进展

激光等离子体离子加速在过去13年里引起了广泛的关注，这是因为其在快点火、医疗、核物理和粒子物理等领域均有潜在应用价值。本文总结了激光等离子体加速离子的方案，主要概述了最新的一些实验结果及相关的理论工作，主要包括利用短脉冲低能激光靶后法线壳层加速机制加速，以及结构靶和辐射压加速以及无碰撞冲击波加速。

靶后壳层加速机制(TNSA)

靶后壳层加速机制(TNSA)是固体靶(厚度为0.1~10μm)离子加速的基本机制，靶前生成的高能超热电子在经过靶后时，在靶后壳层产生加速电场并加速质子。因此，质子最大能量和转换效率与超热电子的加速与传输密切相关。采用紧聚焦的方法将焦斑尺寸达到λ量级，脉宽几十飞秒，焦耳量级的激光脉冲，可获得聚焦强度10^21W/cm2。定义质子截止能量为εco，对应密度为nco=np(εco)，其中np为单位能量和立体角内质子数目。目前所有的质子能谱均可以由指数定标函数np-exp(-ε/Tp)。

如图1(a)所示，随着脉冲能量的增长，εco与Tp呈现增长趋势。图1(b)，(c)显示了焦斑半高全宽内的能量与εco和Tp的函数关系。图1(b)，(c)表明Eco与Tp与脉冲能量粗略测量成正比关系，对靶厚度的依赖趋势不明显。

Passoni[Phys.Plasmas，20， 060701(2013)]等最近优化了模型，由此加速梯度对靶的厚度以及能量均相关，图1中数据确定了该模型的可靠性。此外，由于目前TNSA模型的分析都是一维的，多维效应只能在PIC代码中展开研究。高对比度激光脉冲可直接与具有纳米和微米精细结构的表面相互作用产生质子，SLIC上实验结果[Phys. Rev. Lett.111， 185001(2013)]表明光栅靶对εco有增长作用。图2所示为光栅靶εco对角度依赖的函数关系，激光聚焦能量为0.3J，功率达到2.5×10^19W/cm2。最大增益位于光栅激发表面等离子体波的共振角。