Radiation Pressure Acceleration of Thin Foils with Circularly Polarized Laser Pulses
本文描述了一种新的方法，即用10^20 W/cm ^2以上的强激光束对薄箔进行辐射压力加速。利用圆偏振光可以非常高的效率产生扩展到GeV能量的高单能质子束。质子束具有非常小的发散角（小于4度）。这种新方法允许构建具有超短粒子爆发的超紧凑质子和离子加速器。
2007-08-15 physics.plasm-ph
A simple model for cavity-enhanced laser-driven ion acceleration from thin foil targets
考虑了高激光强度下薄固体靶的激光驱动离子加速增强的情况，其中靶封闭在反射腔中。从目标反射的激光脉冲通过在内腔壁处的反射而朝向目标重定向。这种情况下，讨论了在辐射压力制度的亚波长箔加速的上下文中，当等离子体动力学是已知的光帆模型是合理的描述。提出了一个半解析公式，描述了腔反射在一维几何形状的影响。腔反射对亚波长箔加速的影响，然后评估皮秒和飞秒持续时间的超强激光脉冲的两个具体例子。
2013-08-07 physics.plasm-ph
Scaling Laws of Ion Acceleration in Ultrathin Foils Driven by Laser Radiation Pressure
通过理论分析和二维粒子模拟，研究了强激光脉冲辐射压力驱动下超薄薄膜中离子加速的标度律。考虑到激光等离子体相互作用过程中不可避免的不稳定性，离子的最大能量应该有两个贡献：辐射压力驱动的体加速和热电子在运动箔参考中引起的鞘层加速。提出了一个理论模型，定量解释了在大范围的激光和靶参数下，模拟和实验观察到的截止能量和能量扩展大于“光帆”模型预测的结果。由该模型推导出的标度律得到了实验的验证，并得到了模拟结果的支持。
2018-09-17 physics.plasm-ph
Efficient ion acceleration by collective laser-driven electron dynamics with ultra-thin foil targets
本文介绍了用具有超高对比度和线性偏振的激光脉冲辐照超薄类金刚石碳（DLC）薄膜（厚度远低于趋肤深度）进行离子加速的实验。质子和碳离子的最大能量分别为13MeV和71MeV，转换效率> 10%。二维粒子模拟结果表明，当靶对入射激光脉冲透明时，离子能量的增加主要归因于箔电子的集体运动，而不是热运动。
2009-09-12 physics.plasm-ph
Laser acceleration of highly energetic carbon ions using a double-layer target composed of slightly underdense plasma and ultrathin foil
我们报告的实验产生高能量的碳离子高达48兆电子伏每核子的拍摄双层靶组成的良好控制的轻微欠密等离子体（ESTA）和ESTA箔与超强飞秒激光脉冲。粒子模拟结果表明，由于箔片前面的屏蔽层的存在，碳离子在屏蔽层中依次经历辐射压加速和长时间鞘场加速。这种加速方案特别适用于飞秒激光脉冲对重离子的加速。在高重复频率下，重离子能量突破数十MeV/u将能够引发核物理、能量密度物理和医学物理的重大进展。
2018-01-31 physics.plasm-ph
Laser-plasma proton acceleration with a combined gas-foil target
采用新型气膜靶研究了靶法向鞘层加速（TNSA）机制下的激光等离子体质子加速。靶的设计是为了达到更高的激光强度在箔平面由于相对论自聚焦和气体层中的脉冲的自压缩。数值3D粒子模拟（PIC）被用来研究脉冲在气体中的传播，峰值强度增加了近7倍。在实验中，最大质子能量显示出对激光通过气体的能量传输的高度依赖性，对脉冲的大小和形状的依赖性较小。在高气体密度下，激光能量耗尽和脉冲畸变抑制了质子能量。在低密度下，观察到自聚焦，并且用气体测量到相当或更高的质子能量。
2020-07-28 physics.plasm-ph
Theory of laser ion acceleration from a foil target of nanometers
提出了一种激光加速离子的理论，用以计算高反差强激光与纳米薄膜相互作用中离子的最大能量。在这种情况下，离子的能量可能与激光强度和随后的电子动力学直接相关。这导致一个简单的解析表达式的离子能量增益下的激光照射薄靶。值得注意的是，更高的能量薄的目标比厚的目标预测。理论是具体化的细节，最近的实验可能会找到自己的方式来比较这些结果。
2009-06-26 physics.optics physics.plasm-ph
Electrostatic field acceleration of laser-driven ion bunch by using double layer thin foils
采用二维粒子模拟方法研究了强线偏振激光脉冲作用下双层薄箔靶产生和加速单能离子束团的过程。靶前层的低Z离子被激光驱动的超热电子加速并穿透高Z离子层，形成准单能离子束，该束将继续被不动的高Z离子和超热电子形成的准稳定静电鞘场加速。这一机制为在束流产生实验中不需要超高对比度和高梯度激光脉冲而产生单能离子束提供了可能性，模拟结果证实了这一点。
2012-01-16 physics.plasm-ph
Enhanced laser-driven proton acceleration with gas-foil targets
数值研究了飞秒激光脉冲驱动下质子在气膜靶中的加速机制。该靶由一个几十微米的近临界密度氢气层组成，氢气层附着在固体碳箔上，背面有一个污染物薄质子层。二维粒子模拟表明，在最佳的气体密度，污染物质子的最大能量增加了一个因素的$\sim 4$相比，一个单一的箔目标。这种改进源于激光几乎完全吸收到气体中的相对论电子中。几个充满活力的电子种群被确定，并通过计算它们在质子的位置产生的静电场来量化它们各自对质子加速的影响。虽然发现这些电子组中的每一个都对整个加速场有很大贡献，但主要的一个是由气体中激发的非线性尾流场产生的相对论热体积，正如Debayle等人最近分析的那样[New J. Phys. 19，123013（2017）]。我们的分析还揭示了邻近离子在加速最快质子中的重要作用，以及质子层随时间增加的曲率引起的多维效应的发生。
2020-09-15 physics.plasm-ph
High-Energy and High-Quality Ion beams in Light Sail Acceleration
照射薄固体密度箔的超强激光脉冲原则上可以加速整个箔，因此产生密集的、准直的和准单能的离子束。这些独特的功能，使光帆制度的辐射压力加速一个有前途的加速机制，适用于密集和高通量的离子束的应用。然而，几种不稳定性的发生通常导致箔变形和加热，这导致辐射压力加速阶段的过早终止和离子谱的强烈加宽。在这里，我们表明：（i）之间的关系，可达到的离子能量每核子和发展的不稳定性存在，这样增加的离子能量的结果增加的横向调制效应和，（ii）上述关系可以削弱与适当匹配的激光脉冲箔参数，这样可以产生高能量密集的离子束与高质量的光谱特征。
2020-02-26 physics.plasm-ph
Target shape effects on monoenergetic GeV proton acceleration
圆偏振激光脉冲与薄膜靶相互作用时，可分为预打孔、打孔和光帆加速三个阶段。我们研究了第一阶段的电子和离子动力学，并找到了给定激光强度的最小箔厚度要求。基于此分析，我们建议使用一个形状的箔离子加速，其厚度横向变化，以匹配激光强度。然后，目标演化为三个区域：加速度区域、透明区域和变形区域。在加速区域中，靶可以被均匀地加速，从而产生单能且空间准直的离子束。详细的数值模拟进行检查该计划的可行性和鲁棒性，如形状因子和表面粗糙度的影响。在三维粒子模拟中，当激光脉冲聚焦强度为1022 W = cm ~ 2时，观察到了GeV单能质子束流。激光脉冲到加速质子束的能量转换效率大于23%。在相互作用中还检查了同步辐射和阻尼效应。
2009-06-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Enhancing proton acceleration by using composite targets
有效的激光离子加速需要高的激光强度，这只能通过紧密聚焦激光辐射来获得。在辐射压力加速制度中，其中紧密聚焦的激光驱动器导致出现最大可获得离子能量的基本极限，该极限对应于激光脉冲群速度以及与加速箔的横向膨胀和随后的箔透明度的发生有关的另一个极限。这些限制可以通过使用复合靶来放宽，复合靶由薄箔和接近临界密度的板组成。这样的目标提供引导的激光脉冲内的自生通道和背景电子，被雪犁的脉冲，补偿横向膨胀。与单个箔靶的情况相比，复合靶的使用导致最大离子能量的显著增加。
2015-06-28 physics.plasm-ph
Time-dependent energetic proton acceleration and scaling laws in ultra-intense laser pulses interactions with thin foils
提出了一个两相模型，即激光照射时等离子体为等温膨胀，激光照射结束后等离子体为绝热膨胀，用来预测超强激光与金属箔相互作用中产生的质子束的最大能量。该模型连续地考虑了超强激光与固体相互作用中的热电子回流，并用随时间变化的热电子密度来描述。考虑了电子再循环和横向扩散时电子密度的稀释效应。利用我们的模型，得到了离子最大能量的标度律，以及标度系数与激光强度、脉冲宽度和靶厚度的关系。结果表明：绝热膨胀是离子加速的一个不可忽视的重要过程;整个加速时间约为激光脉冲宽度的10-20倍;激光强度越大，离子最大能量对聚焦半径的变化越敏感等。
2008-12-03 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Enhancement of laser-driven ion acceleration in non-periodic nanostructured targets
使用粒子模拟，我们证明了改进的目标正常鞘层加速（TNSA）的质子在非周期性纳米结构的目标与微米级厚度。与标准的平箔相比，在涂覆有纳米锥或穿孔有纳米孔的箔中观察到质子截止能量增加高达两倍。后者的纳米穿孔箔具有最高的增强效果，我们证明这在很大范围的箔厚度和孔直径下都具有鲁棒性。TNSA性能的改善是由于更有效的热电子产生，这是由更复杂的激光-电子相互作用几何形状和增加的有效相互作用面积和持续时间引起的。我们表明，TNSA是优化的纳米孔分布的相对较低的面密度，并不需要是周期性的，从而放宽了制造限制。
2019-07-16 physics.plasm-ph
Strong field electrodynamics of a thin foil
给出了描述薄双层薄膜非线性电动力学的精确解。这些解决方案对应于高强度激光脉冲与过密等离子体相互作用的广泛问题，如频率上移，高次谐波产生和高能离子加速。
2013-10-18 physics.plasm-ph
Two surface plasmon decay of plasma oscillations
超强激光与固体箔的相互作用可用于将离子加速到远超过60 MeV的高能量。电子在强激光辐射中的非线性相对论运动导致它们的加速，随后导致离子的加速。离子可以从前表面、箔内部区域和箔后表面加速（TNSA，最广泛使用的），或者如果箔足够薄，则可以作为整体加速（RPA）。在这里，我们专注于最广泛使用的激光离子加速TNSA的机制。从完全平坦的箔，我们通过模拟显示如何在固体或内部的电子衍射导致在离子的空间调制。精确的动力学非常敏感地依赖于所选择的初始参数，这对电子动力学有着巨大的影响。在阶梯状密度梯度的情况下，我们发现的证据表明，两个表面等离子体激元衰减等离子体振荡触发Raileigh-Taylor不稳定性。
2015-03-20 physics.plasm-ph
Ion Acceleration via "Nonlinear Vacuum Heating" by the Laser Pulse Obliquely Incident on a Thin Foil Target
从实验和理论上研究了激光脉冲平行入射薄靶时加速离子的能量与激光偏振态的关系。我们发现，当脉冲变为s极化时，p极化的离子能量最大值逐渐减小。实验发现的离子能量的依赖性解释通过调用异常的电子加热，导致在目标表面形成高静电势。本文在具有阶跃非线性的受驱动振子理论模型的框架内，描述了激光场中电子在超光速运动能量之外的反常加热。我们已经证明，电子反常加热可以实现在两个区域：非线性共振和随机加热，取决于随机性的程度。发现了加速离子能量与激光强度、脉冲宽度、极化角和入射角的关系。
2015-06-22 hep-ex physics.optics physics.plasm-ph
Laser acceleration of a thin, inflated layer of heavy material by the radiation pressure applied to a self-generated, imperfect plasma mirror
本文研究了通过辐射压力加到自生的、不完美的等离子体镜（光子吸收概率η有限）上来加速超薄箔以产生高能（多GeV）重离子束。为了评估箔动力学，针对现象学参数η的恒定和相对论不变值，开发了相对论模型。作为所涉及的参数（η、以光速β为单位的目标平均翼速度等）的函数，评估了向物质传递动能的可实现效率。对于初始薄材料圆盘，计算了所产生离子束的期望准直度、相关能量范围、模型在η有限值下的自洽性以及对R-T不稳定性的存活率。
2010-05-25 physics.plasm-ph
Self-organizing GeV, nano-Coulomb, collimated proton beam from laser foil interaction at 7 * 10^21 W/cm2
我们报道了一种自组织的准稳定的激光质子加速机制，在7*10^21 W/cm 2的强度下，通过激光箔相互作用产生1 GeV的纳米库仑质子束。结果是从2D PIC模拟，使用圆形偏振光垂直入射到一个平面，500 nm厚的氢箔与高斯横向分布。在驱动脉冲两翼驱动的箔等离子体被分散的同时，在轴上形成一个直径为1 - 2 λ的稳定的中心团。这种稳定性与激光通过机翼区域中箔片的透明部分并包围仍然不透明的中央团块有关。在2D和3D模拟中始终观察到该特征。它取决于具有高对比度的激光脉冲形状。
2009-03-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Steady regime of radiation pressure acceleration with foil thickness adjustable within micrometers under 10-100 PW laser
研究发现10-100 PW激光下辐射压加速存在稳态机制，匹配箔厚度可扩展至微米量级，实现多GeV准单能质子束的稳定产生。
2023-05-10 physics.optics physics.plasm-ph
Optimized laser pulse profile for efficient radiation pressure acceleration of ions
激光离子加速的辐射压力加速机制需要高强度的激光脉冲才能有效地起作用。此外，箔在相互作用期间对于入射辐射应该是不透明的，以确保从脉冲到箔的最大动量传递，这需要靶与激光脉冲的适当匹配。然而，在超相对论的制度，这会导致大的加速距离，超过高斯激光脉冲的高激光强度必须保持。结果表明，适当的剪裁的激光脉冲轮廓可以显着减少加速距离，导致紧凑的激光离子加速器，需要更少的能量来操作。
2012-08-26 physics.plasm-ph
"Light Sail" Acceleration Revisited
通过解析建模和粒子模拟研究了超强圆偏振激光脉冲辐射压力加速超薄箔靶的动力学。通过解决自诱导的透明度和电荷分离效应，它示出，对于“最佳”值的箔厚度只有一个薄层在后侧加速辐射压力。简单的“光帆”模型对每个核子的能量给出了很好的估计，但高估了激光能量转化为单能离子的效率。
2009-07-23 physics.plasm-ph
Ion acceleration with few cycle relativistic laser pulses from foil targets
本研究通过少周期相对论激光与不同箔靶作用，实现前后表面质子能量超1 MeV、转换效率约1.4%，验证了真空加热主导吸收及类TNSA、带电腔库仑场的加速机制。
2022-12-01 physics.plasm-ph
Dominance of Radiation Pressure in Ion Acceleration with Linearly Polarized Pulses at Intensities of $10^{21}\textrm{W}\textrm{cm}^{-2}$
提出了一种新的机制，其中采用强度为$10^{21}\textrm{Wcm}^{-2}$的线偏振激光脉冲，其强度比早期预测的低两个数量级[T. Esirkepov等人，物理修订版信函92，175003（2004）]中，离子主要通过辐射压力从双金属箔加速，并且具有单能谱。在该制度中，从钻孔过程中加速的离子迅速赶上由目标法向鞘层加速度（TNSA）加速的离子，然后它们加入到一个单一的束中，经历混合光帆/TNSA加速。在适当的薄膜厚度、激光强度和脉冲宽度之间的耦合条件下，激光辐射压力可以在这种混合加速中起主导作用。二维PIC模拟结果表明，在强度为$10^{21}\textrm{Wcm}^{-2}$的线偏振激光脉冲作用下，可以得到准单能的$10^{21}\textrm{Wcm}^{-2}$光束。
2012-01-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Accelerating Protons to Therapeutic Energies with Ultra-Intense Ultra-Clean and Ultra-Short Laser Pulses
本文讨论了强激光脉冲从用于强子治疗的超薄薄膜中加速质子的问题。随着在密歇根大学的Hercules激光器上实现的激光强度对比度提高到10-11，可以在高达1022 W/cm 2的强度下实现激光-固体相互作用，这允许从亚微米箔进行激光驱动离子加速的有效机制。定向库仑爆炸区超薄双层质子加速的PIC模拟不同厚度的（重离子/轻离子）箔在预期的实验条件下进行，用于Hercules激光器，脉冲能量从3到15 J，脉冲半高宽（FWHM）为30 fs，聚焦到0.8微米（FWHM）的光斑尺寸。在这种情况下，重离子主要在激光脉冲传播的方向上扩展，增强了加速轻离子的纵向电荷分离电场。已发现的最大质子能量的依赖性上的箔的厚度和激光脉冲特性已与目标的厚度相匹配，以确保最有效的加速。此外，质子光谱在高能量下显示出峰值结构，这是放射治疗所需的。2D PIC模拟表明，150-500 TW的激光脉冲能够将质子加速到100-220 MeV的能量。
2008-05-13 physics.med-ph physics.plasm-ph
Laser focusing equivalence behavior of mass-limited targets in laser particle acceleration
本文通过三维PIC模拟研究了激光粒子加速中质量受限靶的激光聚焦等效行为，发现圆盘靶比箔靶产生更高能量的离子，并理论推导了产生最大能量质子的圆盘直径。
2025-04-27 physics.plasm-ph
Heavy ion acceleration using femtosecond laser pulses
对短脉冲激光照射超薄（<200 nm）金箔的重离子加速进行了理论研究。采用二维粒子模拟方法研究了激光子弹的时间历程，以深入了解激光能量沉积和离子加速过程。对于强度为32 fs、焦斑尺寸为5 mkm、能量为27 J的激光脉冲，计算出的20 nm薄膜的反射系数、透射系数和耦合系数分别为80%、5%和15%。转换成金离子的效率为8%。已经确定了两个高度准直的反向传播离子束。正向加速金离子的平均荷质比和最大荷质比分别为0.25和0.3，最大归一化能量和通量分别为25 MeV/核子。使用分析模型来确定适合于在辐射压力加速机制中加速金离子和目标正常鞘层加速机制的开始的箔厚度范围。数值模拟和分析模型指出了阻碍重离子加速的至少四个技术挑战：低荷质比，有限数量的离子适合加速，延迟加速和等离子体的高反射率。最后，一个政权适合重离子加速已被确定在一个替代的方法，通过分析能量吸收和参与物种之间的分布和缩放的转换效率，最大能量，和通量与激光强度。
2015-11-24 physics.plasm-ph
High quality GeV proton beams from a density-modulated foil target
我们研究质子加速从箔靶与横向变化的密度使用多维粒子在细胞（PIC）模拟。为了减少电子加热和变形的目标，圆偏振高斯激光脉冲强度的顺序为1022 Wcm-2的使用。结果表明，当靶的密度分布与激光强度分布相符合时，从靶中心加速的质子具有准单能谱，并且被很好地准直。在我们的二维PIC模拟中，最终的峰值能量可达1.4GeV，半最大发散角锥的全宽小于4 o。我们在模拟中观察到从激光到质子的高效能量转换。
2009-06-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Towards Laser Ion Acceleration With Holed Targets
虽然目前可用的激光强度的平箔的相互作用，现在被认为是一个常规的过程，在过去的十年中，重点是与复杂的几何形状，旨在增加离子能量的目标。这项工作提出了一个目标的几何形状，两个对称的侧孔和中心孔钻到箔。采用二维粒子模拟方法，在5.2 × 10^21 W cm^-2的激光强度下，对聚乙烯靶的各种侧孔和中心孔长度组合进行了研究。有孔靶显示出转换效率的显著增加，这对应于电子、质子和碳离子的不同靶配置。此外，激光脉冲的衍射导致定向高能电子束，其温度为~40 MeV或比平箔的情况高七倍。因此，较高的转换效率导致来自有孔靶的最大质子能量的显著增强。
2020-03-20 physics.plasm-ph
Detecting Linear Breit-Wheeler Signals with a Laser-Foil Setup
针对线性Breit-Wheeler对产生过程尚未经真实光子实验验证的问题，提出10 PW级激光辐照薄膜靶的探测方案，通过正电子能谱高能尾的靶厚不变性区分LBW与BH信号，且在BH产额更高时仍有效。
2025-01-12 physics.plasm-ph
Monoenergetic proton beams accelerated by circularly polarized laser with thin solid foils
研究了圆偏振激光脉冲与稠密等离子体相互作用中离子的加速问题。对于圆偏振激光脉冲，由于在激光脉冲的相互作用前沿建立的光压力和静电场，建立了电子的准平衡。静电场可以使激光脉冲趋肤深度内的离子在电荷耦合过程中同步加速和聚束，从而产生单能高强度质子束。推导了加速离子的动力学方程，并通过粒子模拟进行了验证。
2007-12-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Vacuum laser acceleration of super-ponderomotive electrons using relativistic transparency injection
强激光可以在短距离内将电子加速到非常高的能量。这种紧凑型加速器有几个潜在的应用，包括快速点火，高能物理和射线照相。在激光加速电子的各种方案中，真空激光加速电子具有超高的加速梯度和非常简单的优点。然而它的实现一直很困难，因为将自由电子注入快速振荡的激光场中并不是小事。在这里，我们证明了自由电子注入和随后的真空激光加速电子高达20兆电子伏使用相对论透明效应。当高对比度强激光驱动薄固体箔时，来自致密不透明等离子体的电子首先被固体箔前面的激光驻波加速到近光速，随后随着不透明等离子体变得相对论透明而注入透射激光场中。可以通过操纵激光偏振、入射角和时间脉冲成形来进一步优化电子注入/加速。我们的研究结果也揭示了基本的相对论透明过程，对于产生次级粒子和光源至关重要。
2021-10-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Radiation Pressure Acceleration of Ion Beams Driven by Circularly Polarized Laser Pulses
我们目前的实验研究离子加速超薄类金刚石碳（DLC）箔照射的超高对比度激光脉冲能量为0.7 J，聚焦到峰值强度为5*10^{19} W/cm ^2。当激光偏振从线性变为圆形时，观察到电子加热的减少，导致在5.3 nm的最佳箔厚度处的完全电离的碳光谱中的显著峰。二维粒子模拟结果表明，这些C^{6+}离子第一次被激光辐射压力以相位稳定的方式加速。
2009-08-27 physics.plasm-ph
Efficient injection of radiation-pressure-accelerated sub-relativistic protons into laser wakefield acceleration based on 10 PW lasers
我们提出了一种混合激光驱动的离子加速方案，使用固体箔和密度定制的背景等离子体的组合目标。在第一阶段，强激光与固体薄膜相互作用中的辐射压加速可产生亚相对论质子束。在第二阶段，该次相对论质子束被进一步加速的激光尾流场驱动的相同的激光脉冲在近临界密度的背景等离子体密度下降的轮廓。在第二阶段开始时，激光波前的传播速度和激发尾场波的相速度被有效地降低。通过沿激光传播方向从临界密度附近逐渐降低背景等离子体密度，尾流在加速质子的同时行进得越来越快。因此，质子和尾流之间的退相被推迟，并且实现有效的尾流场质子加速。这种混合激光驱动质子加速方案可以通过使用峰值功率为10 PW的超短激光脉冲产生多GeV质子束来实现。
2018-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Radiation Reaction Effects on Radiation Pressure Acceleration
从理论上研究了辐射反应（RR）对超强激光脉冲加速薄等离子体箔的影响。一个简单的合适的近似的朗道-Lifshitz方程的RR力和一个新的蛙跳推其列入在细胞中的粒子模拟。对激光脉冲的线偏振和圆偏振进行了模拟和比较。据发现，在强度超过$10^{23} \Wcm$的辐射反作用力强烈影响的动态线性偏振激光脉冲，降低最大离子能量，但也光谱的宽度。相反，对于圆偏振激光脉冲，只要激光脉冲不穿透箔，就没有发现显著的效果。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Tailored laser pulse chirp to maintain optimum radiation pressure acceleration of ions
用超强激光等离子体加速器产生的离子束有望提供紧凑和负担得起的相对论离子束。最有效的加速设置之一被证明是通过激光的辐射压力直接加速。然而，由于辐射压力加速所需的超薄箔中的等离子体不稳定性，在长距离上保持稳定的加速是具有挑战性的。另一方面，最近的研究表明，特别定制的激光脉冲可以缩短所需的加速距离，抑制等离子体不稳定性的发生。在这里，我们将特定激光脉冲形状的概念扩展到实验上可获得的频率啁啾参数。我们提出了一种新的分析如何激光脉冲啁啾可以用来驱动箔目标不断保持最佳的辐射压力加速条件的依赖于目标的面密度和激光的局部场强。我们的研究结果表明，适当的频率啁啾激光脉冲产生一个显着增强的加速到更高的能量和更长的距离抑制等离子体不稳定性的发生。
2018-11-20 physics.plasm-ph
Instability of a Thin Conducting Foil Accelerated by a Finite Wavelength Intense Laser
考虑到激光波场中的有限波长效应，推导了强激光加速薄箔类瑞利-泰勒（RT）不稳定性的理论模型。后者导致电磁波从由箔的不稳定性引起的周期性结构的衍射，当箔上的扰动具有与激光波数相当或大于激光波数时，这显著地修改了类RT不稳定性的增长速率。特别地，增长率在扰动波数近似等于激光波数处具有局部最大值。标准RT不稳定性，所产生的压力差的两侧之间的箔，近似恢复的扰动波数小于激光波数。指出了激光圆偏振和线偏振结果的差异。该模型具有重要意义的辐射压力加速薄箔和激光驱动的惯性约束聚变计划，RT类不稳定性是显着的障碍。
2014-08-07 physics.plasm-ph physics.space-ph
Laser-induced damage thresholds of ultrathin targets and their constrain on laser contrast in laser-driven ion acceleration experiments
在真空环境中，对不同类型的自支撑薄膜进行了单次激光损伤阈值（LIDT）测量，激光脉冲宽度为50 fs ~ 200 ps，脉冲宽度为800 nm。结果表明，薄膜的激光损伤阈值注量（DTFs）明显低于相应的块体材料。宽带隙介电靶（例如SiN和formvar）具有比电介质靶和导电靶大1-3个数量级的DTF，这取决于脉冲持续时间。研究了不同类型目标的毁伤机理。在此基础上，讨论了LIDT对激光对比度的限制。
2020-12-04 physics.plasm-ph
Dynamics of Nanometer-Scale Foil Targets Irradiated with Relativistically Intense Laser Pulses
在这封信中，我们报告的高谐波辐射的实验研究中产生的纳米级箔靶照射下的正常入射。实验构成了第一个明确的观察奇数相对论谐波产生的$\vec{v}\times\vec{B}$组件的洛伦兹力验证了长期预测的固体目标谐波的属性。同时，所观察到的谐波光谱允许在实验场景中的目标密度的原位提取，这对于诸如由超强激光的辐射压力的离子加速的应用是最感兴趣的。
2010-09-08 physics.plasm-ph
Increased efficiency of ion acceleration by using femtosecond laser pulses at higher harmonic frequency
采用二维粒子模拟方法研究了激光频率对激光驱动离子加速的影响。当高次谐波频率的超短强激光脉冲照射薄固体箔时，与基波激光频率下的照射相比，对于显著较低的激光脉冲强度，靶可以变得相对论透明。相对论诱导透明的结果在增强加热的热电子，以及增加的最大能量的加速离子和它们的数量。我们的模拟结果表明，增加的最大质子能量和高能量质子的数量的一个因素2的最大强度的超短激光脉冲$7 \times 10^{21}~\rm{W/cm^2}$与完全电离的塑料箔的现实密度和最佳厚度之间的$100~\rm{nm}$和$200~\rm{nm}$从基频切换到三次谐波的相互作用后。
2014-07-28 physics.plasm-ph
Radiation pressure dominant acceleration: polarization and radiation reaction effects, and energy increase in three-dimensional simulations
采用三维粒子模拟方法研究了超强激光脉冲（I > 10^23 W/cm ^2）与薄等离子体箔相互作用中的偏振和辐射反应（RR）效应。对于线偏振激光脉冲，观察到强的各向异性，如在垂直于传播方向的平面内形成两个高能团簇和显著的辐射反应效应。相反，既没有各向异性，也没有观察到显着的辐射反应效应，使用圆偏振激光脉冲，其中的最大离子能量超过在较低维度的模拟中获得的值。初始平坦的等离子体箔的动态弯曲导致准抛物壳的自形成，该准抛物壳聚焦强烈增加其能量和动量密度的撞击激光脉冲。
2011-12-30 physics.plasm-ph
Effects of oblique incidence and colliding pulses on laser-driven proton acceleration from relativistically transparent ultrathin targets
固体薄膜的使用为加速激光-物质相互作用产生的质子提供了最佳条件。当靶足够薄以至于产生相对论性自诱导透明（RSIT）时，所有靶电子都被激光加热到高能量，这使加速电场最大化，从而使最终离子能量最大化。在这项工作中，我们首先研究了如何在透明CH $_2$固体箔的超强飞秒激光脉冲加速离子时，从正常转向倾斜（$45^\circ$）入射修改。由于较强的电子加热，我们发现，更高的质子能量可以获得斜入射，但在薄的最佳目标。然后，我们表明，质子加速可以进一步提高分裂成两个半脉冲的激光脉冲在相反的入射角聚焦。增加$\sim 30\,\%$的最大质子能量和$\sim 4$的高能量质子电荷的一个因素相比，一个单一的正常入射脉冲的参考情况。
2020-04-02 physics.plasm-ph
Enhanced laser-driven proton acceleration via improved fast electron heating in a controlled pre-plasma
超强激光脉冲与固体的相互作用在很大程度上受到真空-固体界面处的等离子体梯度的影响，该等离子体梯度改变了吸收并最终控制了加热电子的能量分布函数。一个微米尺度长度的等离子体已被预测产生一个显着的增强的能量和重量的快速电子人口和发挥主要作用，在激光驱动的质子加速与薄箔。本文报道了最近在超相对论强度下激光与箔靶相互作用加速质子的实验结果。我们发现，当用低能量飞秒预脉冲辐照引入微米尺度长度的预等离子体时，质子截止能量增加了三倍。我们的现实的数值模拟同意所观察到的质子截止能量的增益，并确认随机加热的快速电子的加速鞘场的增强的作用。
2021-06-01 physics.plasm-ph
Theory of Light Sail Acceleration by Intense Lasers: an Overview
本文简要介绍了超强激光辐射压力驱动的薄箔加速理论。给出了强度在$5 \times 10^{20} \mbox{W cm}^{-2}$附近的辐射压优势的一个简单判据，并讨论了在相对论区域快速获得能量的可能性。
2014-03-25 physics.plasm-ph
Proton beam quality enhancement by spectral phase control of a PW-class laser system
我们报告的实验研究的质子加速固体箔照射PW级激光脉冲，其中最高的质子截止能量实现的时间脉冲参数，从一个理想的傅里叶变换限制（FTL）脉冲的显着变化。通过声光可编程色散滤波器控制驱动激光器的光谱相位调制，使我们能够操纵主脉冲周围最后皮秒的时间形状，并研究薄箔靶对质子加速的影响。结果表明，对短脉冲施加正的三阶色散有利于质子加速，对于薄塑料薄膜，在18 J激光能量下，靶法线方向的最大能量可达70 MeV，与理想压缩的FTL脉冲相比，显著提高了最大能量。本文进一步证明了这种增强效果对于使用不同的靶材料和厚度以及激光能量和时间强度对比度设置的鲁棒性和适用性。我们证明，应用程序相关的质子束质量可靠地实现了许多个月的操作与适当的控制光谱相位和时间对比度的条件下，使用最先进的高重复率PW激光系统。
2021-03-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Surface Plasmon-Driven Electron and Proton Acceleration without Grating Coupling
强激光与固体靶相互作用中的表面等离子体激元（SP）激发可以用来增强二次发射，特别是高电荷电子束团的有效加速。以前的研究大多使用光栅耦合来允许SP激发，这需要严格的激光对比度条件来保持目标的结构完整性。在这里，我们表明，通过模拟，目前可用的短脉冲激光器的有效SP电子加速可以发生在一个平面箔照射在平行或掠入射（$\sim 5^\circ$与目标表面），没有表面调制。进而，对于当前可用的激光器驱动器，加速的电子可以有效地产生具有峰值为$>$ 100 MeV能量的窄光谱的质子束。
2022-07-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coherent Transition Radiation from Relativistic Beam-Foil Interaction in the Terahertz and Optical Range
利用二维粒子模拟方法研究了相对论电子束与过密等离子体箔相互作用产生的相干渡越辐射。定义明确的单电子束均匀的轮廓或具有子结构被认为是各种束等离子体参数。其主要目的是模拟复杂的光束等离子体条件，经常发现，例如，在强烈的激光等离子体相互作用。CTR的时间，角度和光谱分布的关键属性进行了识别。几个饱和效应，由于光束能量，尺寸和箔密度被发现的CTR能量，和不同的光谱成分，如在太赫兹（THz）和光学范围的依赖性不同。详细的子结构的光束也影响很大的辐射产生，导致独特的高次谐波分量。探索了电子的动能从亚MeV到几十GeV。对于少数MeV的电子束，箔等离子体对束动力学和相关CTR生成的影响，类似于从强烈的激光-等离子体相互作用中产生的热电子的CTR。这些结果可能会发现重要的应用在光束诊断无论是在激光等离子体加速或传统的加速器。它们也可以用来设计使用可调谐电子束的新型THz辐射源。
2019-02-13 physics.plasm-ph
Laser Accelerated Ions from a Shock Compressed Gas Foil
我们提出了高能激光离子加速从一个定制的，近固体密度的气体目标的结果。在超强激光脉冲到达靶板之前，碰撞流体动力冲击将纯氢气射流压缩成70 μm厚的靶板。密度扫描揭示了从以广角低能束为特征的区域到具有高能晕的更聚焦的束的过渡。在后一种情况下，三维模拟显示了由激光尾场加速电子产生的轴向电流驱动的Z箍缩的形成。当箍缩消散时，靶后部的离子被加速电子的空间电荷场和库仑排斥的组合加速。
2016-03-14 physics.plasm-ph
Ion beam bunching via phase rotation in cascading laser-driven ion acceleration
通过理论分析和粒子模拟研究了级联靶鞘层法向加速中的离子束聚束现象。研究发现，质子束注入激光辐照箔靶后表面的鞘层场，可以同时实现加速和聚束。在鞘层电场上升时，由于束流后端质子感受到的电场比前端质子强，因此可能发生离子相位旋转。因此，注入的质子束可以在纵向方向上被压缩。最后，通过对级联加速过程中两个连续级的综合模拟，说明了离子束聚束的重要作用。
2018-09-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Topological approach for laser acceleration investigation
利用拓扑学的方法揭示了对激光粒子加速的新的理解和认识。用二维粒子模拟方法研究了激光脉冲对薄膜靶的辐照。通过拓扑结构，激光离子加速方案分类取决于激光照射后的变形的目标形状是否是同胚相对于初始目标。当变形靶形状为非同胚时，高效率地产生高能离子。在这种情况下，靶厚度极大地影响所获得的离子能量。然而，当变形的靶形状是同胚的时，获得的离子能量低，并且靶厚度的影响小。
2019-05-28 physics.plasm-ph
Synchronized ion acceleration by ultraintense slow light
本文提出了一种有效的同步激光触发离子加速方案和相应的理论模型，用于研究相对论强度的慢光脉冲穿透近临界密度等离子体后，在靶内传播过程中，其群速度大大减慢并随之增大。三维PIC模拟证实了这一概念的质子加速飞秒拍瓦级激光脉冲经历相对论自聚焦，量化所产生的质子的特性，并证明了显着增加的能量相比，从优化的固体致密箔产生的质子能量。
2015-10-12 physics.plasm-ph
Spectral Control via Multi-Species Effects in PW-Class Laser-Ion Acceleration
超短脉冲激光离子加速，PW类激光器是由非热，脉冲内等离子体动力学。靶中存在多个离子种类或多个电荷状态导致特征调制，甚至单能特征，这取决于靶材料的选择。由于产生的离子束的光谱特征经常用于表征潜在的加速机制，热，多流体的描述需要在下一代粒子束源的预测能力和控制的修订。我们提出了一个明确的物种间相互作用的分析模型，支持广泛的从头计算模拟。这使我们能够从任意混合物的多物种效应产生的光谱分布中获得重要的系综性质。我们进一步提出了一个潜在的实验实施与一种新的低温目标，提供射流与可变的氢和氘的混合物。没有污染物，没有强有力的影响，难以控制的过程，如电离动力学，这将允许我们的预测多物种效应的系统实现。
2020-05-12 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Multi-species Ion Acceleration in 3D Magnetic Reconnection with Hybrid-kinetic Simulations
本研究通过首个具备足够尺度分离的3D混合模拟，揭示磁重联中碎片化通量绳驱动的费米加速是多物种离子加速的主导机制，解释了不同荷质比离子的加速差异及幂律谱特征，与原位观测结果吻合。
2024-01-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Laser-driven vacuum breakdown waves
通过三维量子电动力学--粒子模拟（QED-PIC），证明了真空击穿波以QED级联阵面的形式在极强的平面电磁波中传播。这一结果否定了平面波位形不可能产生自持级联的说法。在模拟过程中，叶栅在光帆状态下的激光-箔片相互作用期间启动。结果，在箔和激光辐射之间形成不断增长的电子-正电子等离子体垫。缓冲等离子体有效地吸收激光能量，并使来自移动箔的辐射发散，从而中断离子加速。文中给出了描述叶栅前缘传播和垫等离子体电动力学的模型，它们的预测与数值模拟的结果定性一致。
2019-06-27 physics.plasm-ph
