上海光学精密机械研究所----上海光机所在激光驱动离子加速方面取得新进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第六百六十一期)

2025年6月14日

上海光机所在激光驱动离子加速方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宾建辉研究员团队在激光驱动离子加速方面取得新进展。相关研究成果分别以“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”为题发表于Physics of Plasmas和AIP Advances。

激光驱动离子加速技术因超强超短激光技术的迅速进展而受到广泛关注。该技术产生的高能离子束具有独特的“布拉格峰”能量沉积特性，使其在生物癌症治疗、温稠密物质制备及快点火方案等领域展现出巨大的应用潜力。然而，当前激光等离子体实验产生的高能离子束在能量上仍难以满足实际应用需求，因此如何提升离子束能量成为该领域的研究热点之一。

针对这一问题，研究团队提出一种新型双层纳米薄膜靶结构设计方案，可显著提升激光驱动质子加速的能量输出。该结构由两层纳米厚度薄膜组成，其物理机制在于：激光脉冲在通过第一层纳米靶时，由于自聚焦效应的存在导致激光脉冲光强显著增强；同时，自相位调制效应的产生使脉冲前沿变得更为陡峭。这种经过时空整形的激光脉冲非常有益于辐射压加速的产生，从而在与第二层纳米靶相互作用时实现了更高能量的质子加速。实验结果表明，相较于传统的单层靶，该双层纳米薄膜靶可将质子束能量提升2.7倍，同时加速产生的质子总数增加了近6倍。这一重要发现为优化激光驱动离子加速提供了新的思路，同时证实了发展高性能激光质子源可行性。

图1 实验原理示意图

为进一步揭示双层靶结构对激光质子加速的物理机制，推动其在更广泛激光装置中的应用，研究团队在上述研究的基础上，采用二维粒子模拟(Particle-in-cell, PIC)方法对激光质子加速的双层靶参数进行了深入研究。模拟结果显示：膨胀的第一层靶存在最优参数，使得激光脉冲在经过第一层靶后得到最大的激光脉冲光强提升；第二层靶参数依赖于激光脉冲参数，当满足特定平衡条件时，可实现激光加速质子能量的最大增强。该研究为增强激光质子加速的靶材设计提供了重要的参考，对推动激光驱动离子加速走向实际应用具有重要价值。