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超强激光科学卓越创新简报

(第七百五十二期)

2026年2月7日

上海光机所在中等对比度PW飞秒激光加速高能质子束方面取得进展

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依托“羲和”激光装置在中等对比度PW飞秒激光加速高能质子束方面取得进展，相关成果以“Effect of laser prepulse on proton acceleration driven by femtosecond intense lasers”为题，发表于High Power Laser Science and Engineering。

强激光驱动离子加速有望产生紧凑型、超快强流的离子源，在肿瘤放疗、质子照相、同位素生产以及快点火聚变等领域具有广泛的应用前景。靶后法线鞘层加速机制（Target Normal Sheath Acceleration，TNSA）是研究最广泛的激光离子加速机制，相比于光压加速等机制，TNSA机制的优势在于需要的实验条件相对容易，产生的离子源参数比较稳定。考虑到现如今数拍瓦飞秒激光装置已建成，比如“羲和”激光装置、ELI装置，因此利用PW飞秒激光驱动TNSA有望获得满足应用需求的离子束。

研究团队利用不同对比度的、PW激光与微米靶相互作用，实验发现TNSA机制下中等对比度激光可获得更高能的质子束。研究表明，靶前预等离子体能增强电子加速，进而提升质子加速效果，而靶后预等离子体会弱化鞘层场，从而对质子加速不利。对于中等对比度的激光而言，靶前预等离子体的标长足够长可有效提高靶前电子加速，同时靶后预等离子体的标长也较短能降低靶后鞘层场的衰减，从而实现最佳质子加速效果。本研究将TNSA机制中预等离子体效应拓展到更大的参数空间（数拍瓦，1021 W/cm2），对TNSA质子源应用具有重要意义。

该工作得到了中国科学院先导专项（B类）、国家自然科学基金委基础科学中心、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队和国家重点研发计划青年科学家项目的支持。

原文链接

图1 (a) 实验布置示意图，插图是激光的纳秒和皮秒对比度；(b)-(c) 不同对比度激光加速质子结果：(b)质子能谱，(c)不同靶厚的质子截止能量；(d)-(e) 质子截止能量和电子温度随靶前和靶后预等离子体标长变化的模拟结果。

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