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
Geometric scaling of laser-driven proton focusing from hemispherical foils
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Focused Energy Inc.（Focused Energy 公司）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；University of Texas, Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Focused Energy GmbH（Focused Energy 有限公司）
研究通过网格放射成像揭示了激光驱动质子束从不同直径半球形靶材聚焦行为的几何缩放特性，发现最小半球的焦点接近几何中心，而较大半球则表现出类似平面箔的聚焦退化，同时推断出一个紧密的虚拟焦点。
2025-10-21 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
Radiation reaction effects on ion acceleration in laser foil interaction
采用解析模型和多维粒子模拟方法研究了激光箔相互作用中辐射反应对离子加速的影响。我们发现，在1022 W= cm ~ 2的激光强度下，由于静电分离场，一些电子向后移动的区域中，辐射效应是重要的。辐射反应往往会阻碍这些向后的运动。在光学透明区，考虑辐射效应后，离子加速增强。
2009-09-28 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
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
Optimisation of Thin Plastic Foil Targets for Production of Laser-Generated Protons in the GeV Range
本研究通过结合流体动力学模拟与粒子模拟，详细分析了飞秒激光与纳米厚度靶的相互作用机制，预测了不同激光功率下质子能量可达GeV量级，为薄塑料箔靶的优化提供了理论依据。
2019-08-14 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
Radiation pressure acceleration of protons from structured thin-foil targets
为了抑制激光与薄膜相互作用中的类Rayleigh-Taylor横向不稳定性，研究了离子的辐射压加速过程。这是通过在目标表面上施加表面和密度调制来实现的。我们还研究了在辐射占主导地位的制度，辐射反应的影响是重要的，从密度调制和结构化的目标离子RPA的功效。我们表明，使用密度调制和结构化的目标和辐射反应效应可以帮助实现高离子能量（在GeV范围内）和较低的能量扩散的双重目标。
2021-11-28 physics.med-ph 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
Enhanced collimated GeV monoenergetic ion acceleration from a shaped foil target irradiated by a circularly polarized laser pulse
采用多维粒子模拟方法，研究了1022 W/cm ^2圆偏振激光脉冲辐照下金属箔的离子加速过程。当箔最初在横向方向上成形以匹配激光强度分布时，与通常的平坦靶相比，靶的中心部分可以均匀加速更长的时间。有效地抑制了靶变形和不期望的等离子体加热。加速离子束的最终能谱得到显著改善。准直GeV准单能离子束携带多达18%的激光能量的观察在多维模拟。辐射阻尼效应也检查在模拟中。
2009-03-20 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Simulations of stable compact proton beam acceleration from a two-ion-species ultrathin foil
我们报告了稳定的激光驱动质子束加速从两个离子物种组成的碳箔：较重的碳离子和较轻的质子。多维粒子模拟结果表明，辐射压力导致了物种的快速和完全的空间分离。激光脉冲不穿透碳离子层，避免了质子类瑞利-泰勒（RT）不稳定性。最终，碳离子被加热并在太空中广泛传播。相比之下，质子总是骑在碳离子云的前面，形成一个紧凑的高质量束。我们引入一个简单的三界面模型来解释质子层中的不稳定性抑制。该模型得到了各种化合物箔（如碳氘（C-D）和碳氚（C-T）箔）模拟的支持。研究了碳离子的电荷状态对质子加速的影响。结果表明，随着碳离子电荷态的降低，类RT不稳定性和库仑爆炸都使质子能谱降低。最后，进行全三维模拟，以证明稳定的两个离子物种制度的鲁棒性。
2011-03-13 physics.acc-ph 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
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
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
Stable laser-driven proton beam acceleration from a two-specie ultra-thin foil
通过使用多维粒子模拟，我们提出了一个新的政权的稳定质子束加速时发生的两种形状的箔被照射的圆偏振激光脉冲。据观察，由于电荷质量比的差异，较轻的质子几乎瞬间从较重的碳离子中分离出来。重离子层在空间中广泛膨胀，并起到缓冲质子层的作用，使其不受瑞利-泰勒（RT）不稳定性的影响，否则会降低质子束的加速。一个简单的三界面模型，制定定性地解释了稳定的轻离子加速。由于不存在类RT不稳定性，即使在激光-箔相互作用结束后，所产生的高质量单能质子束团也能很好地保持。
2010-06-24 physics.acc-ph physics.med-ph physics.plasm-ph
Phase-stable limited relativistic acceleration or unlimited relativistic acceleration in the laser-thin-foil interactions
为了阐明相稳定加速度（PSA）和无限相对论加速度（URA）之间的关系（物理评论快报）。104，135003（2010）），基于流体动力学方程，提出了超强激光与纳米箔相互作用的分析相对论模型。离子动量对时间的依赖性与以前的结果是一致的，并通过PIC模拟检查。根据初始离子动量的不同，相对论RPA包含两个加速过程：相位稳定的有限相对论加速（PS-LRA）和URA。在PS-LRA中，电势是捕获离子的深阱。离子前沿，即，底部，将其分为两部分：左半区为PSA区，右半区为PSD区，在PSD区中，离子爬升并减速返回。在PS-LRA中，最大离子能量是有限的。如果初始离子动量足够大，离子将经历一个势下坡，坠入无底深渊，这就是所谓的类锁相位置。URA不再是相稳定的。在类锁相位置，离子可以获得无限的能量增益，离子密度不为零。你不能同时拥有PSA和URA。
2011-03-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ultrafast proton radiography of the magnetic fields generated by a laser-driven coil current
Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University（普林斯顿等离子体物理实验室，普林斯顿大学）；Department of Astrophysical Sciences, Princeton University（普林斯顿大学天体科学系）；Nuclear Engineering and Radiological Sciences (NERS), University of Michigan（密歇根大学核工程与放射科学系）；Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester（罗切斯特大学激光能量学实验室）；General Atomics（通用原子能公司）
该研究用超快质子成像测量由激光驱动的U形线圈电流产生的磁场，通过特定激光脉冲作用产生电流，实验测得激光照射后约3-4纳秒线圈中心处磁场约40-50特斯拉，为高能量密度科学的靶设计提供见解。
2026-07-09 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
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
Stabilized Radiation Pressure Dominated Ion Acceleration from Thin-foil Targets
利用粒子模拟方法研究了辐射压主导的离子加速过程中横向和纵向电子加热效应对靶稳定性和离子谱的影响。当纵向电子温度保持尽可能低时，发生有效的离子加速。然而，考虑到抑制横向不稳定性，需要定制横向电子温度，这可以在加速阶段期间保持靶结构完整更长的持续时间。我们建议使用的表面腐蚀的目标，以增加横向温度，这提高了最终的峰值能量和离子的光谱质量相比，一个正常的平面目标。
2010-06-15 physics.acc-ph physics.med-ph 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
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
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
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
A Thin Foil-foil Proton Recoil Spectrometer for DT neutrons using annular silicon detectors
使用薄膜质子反冲（TPR）谱仪测量氘氚（DT）聚变等离子体中的中子已经被研究过，并且是一种成熟的中子谱测量技术。这里提出的研究重点是TPR光谱仪配置的优化dE和E硅探测器组成。此外，还研究了该谱仪测定类DT等离子体中燃料离子温度和燃料离子密度比的能力。为了计算探测效率和能量分辨率作为几个光谱仪几何参数的函数，开发了Python代码。关于几何光谱仪参数箔厚度、从箔到第一检测器的距离和两个检测器之间的距离，使用多目标优化，即帕累托图分析，对所选分辨率值进行检测效率的优化。此外，还研究了探测器分段对谱仪能量分辨率和效率的影响。该代码还产生了两个选定的光谱仪配置的响应函数。用SPEC程序模拟了谱仪测量燃料离子温度和燃料离子密度比n_t/n_d的性能。所提出的结果包括所选择的光谱仪配置与计算的能量分辨率和效率。对于5%的选定光谱仪分辨率，实现了约0.003%的最大效率。此外，检测器分段允许光谱仪效率提高20%，能量分辨率为4.3%。ITER对n_t/n_d比测量精度要求为20%，对温度测量精度要求为10%，在100 ms的采样窗口内，采用几个同类型的TPR的组合可以达到这一要求，以提高效率。
2019-02-20 physics.ins-det 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
Tracing dynamics of laser-induced fields on ultra-thin foils using complementary imaging with streak deflectometry
我们提出了一个详细的研究电场和磁场，这是创建的等离子体真空界面作为一个结果，高度强烈的激光物质相互作用。为了产生电场，用具有超高对比度的高强度飞秒和皮秒激光脉冲照射超薄聚合物箔。为了确定这些领域的时间演变和空间分布的质子条纹偏折术方法已被进一步发展，并应用于两种不同的成像配置。它使我们能够收集有关所研究的场结构的补充信息，特别是关于不同场分量（平行和垂直于目标表面）的影响以及移动离子前沿的影响。应用的超高激光对比度显著提高了实验的再现性，并提高了成像方法的准确性。为了解释实验观测，这是通过施加超短激光脉冲，两个不同的分析模型进行了详细的研究。他们的能力，重现条纹偏转测量的三维粒子模拟的基础上进行了测试。两种模型的修改和组合允许在两种成像配置中广泛和准确地再现实验结果。激光脉冲持续时间从50飞秒到2.7皮秒的受控变化导致作用在聚合物箔后侧的探测质子束上的主导力的转变。所应用的质子偏转法允许在超薄箔的后侧明确地确定磁场极性。
2016-03-14 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
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
Buffered spectrally-peaked proton beams in the relativistic-transparency regime
用光谱分辨的全束流剖面测量了强激光（$> 10^{19 }$ Wcm $^{-2}$）与氘代甲烷薄膜的相互作用过程，观测到了谱峰质子束（$E_{p}\approx 8$ MeV，$ΔE\approx 4$ MeV）。对于箔厚度（5-100 nm）可再现地产生这些光束，并且随着靶厚度减小至$\approx 8^\circ$（5 nm），这些光束表现出变窄的发散度。模拟结果表明，窄的能量分布特征是质子缓冲加速的结果。由于它们较高的荷质比，质子在相对论透明度范围内超过了碳等离子体。
2014-06-13 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
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
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
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
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
Ultrasmall divergence of laser-driven ion beams from nanometer thick foils
本文报道了高对比度强激光辐照纳米厚类金刚石薄膜产生质子束发散的实验研究。质子束具有极小的发散角（半角）的2度，此外观察到一个非常良好的准直功能，在整个能量范围内，显示一个数量级的减少相比，从微米厚的目标的结果的发散角。我们表明，这种减少产生于陡峭的纵向电子密度梯度和指数衰减的横向剖面在背面的电子箔。协议被发现在一个分析模型和粒子在细胞模拟。这些新的功能，使纳米箔一个有吸引力的替代高通量实验相关的核和温暖的致密物质物理学的基础研究。
2013-03-11 physics.acc-ph 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
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
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
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
High-quality proton bunch from laser interaction with a gas-filled cone target
采用二维粒子模拟方法研究了强短脉冲圆偏振激光与充气锥靶相互作用产生高能质子束团的过程。GCT靶由填充有近临界气体等离子体的中空圆锥体和附着在圆锥体尖端的薄箔组成。研究结果表明，激光脉冲在气体-等离子体中传输时，非线性聚焦将导致激光脉冲强度的增强。结果表明，在自聚焦激光脉冲的作用下，气体等离子体中产生了大量的高能电子。然后，高能电子通过箔传输，形成比简单平面靶产生的更强的背侧鞘场。用强度为$2.6\times10^{20}W/cm^2$的CP激光脉冲辐照该GCT靶，产生了最大能量为181 MeV的准单能质子束，其能量是简单平面靶（67 MeV）的近3倍。
2011-06-20 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
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
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
Collisional effects on the electrostatic shock dynamics in thin-foil targets driven by an ultraintense short pulse laser
采用粒子模拟方法，研究了高强度（$I\approx2{-}5\times10^{20}{\rm\,Wcm^{-2}}$）、超短（${\sim}10{\rm\,fs}$）、圆偏振激光脉冲辐照下，库仑碰撞对高$Z$、固体密度氢化铯和铜靶中离子动力学的影响。碰撞显着增强电子加热，从而大大增加了在激光等离子体相互作用中发射的冲击波的速度。在氢化铯靶中，两种离子之间的碰撞将质子加热到${\sim}100{-}1000{\rm\,eV}$温度。然而，与以前的工作相比（A.E. Turrell等人，2015 Nat Commun. 6，8905），由于几乎全部的质子反射，该过程仅发生在上游。这种差异归因于不同的模型，用于处理碰撞在稠密/冷等离子体。在铜靶的情况下，离子反射可以作为自放大过程开始，自举。之后，反射离子和上游离子之间的碰撞显著加热这两个群体。当将脉冲持续时间增加到$60{\rm\,fs}$时，激波阵面更清楚地从激光器活塞中分离出来，因此可以在没有激光器直接干扰的情况下进行研究。在早期形成的冲击波表现出典型的流体动力学和静电冲击，包括离子反射的属性。在后期，可以看到冲击波演变成流体动力冲击波。
2020-07-30 physics.plasm-ph
Validation of Thin-foil proton recoil neutron spectrometer prototype for application in high yield DT fusion devices
本研究构建了薄箔质子反冲中子能谱仪样机并利用DT中子发生器进行实验，验证了Geant4模拟的准确性，为ITER等聚变装置的中子能谱监测提供了信心与新的能量校准方法。
2024-08-30 physics.ins-det 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
