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近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超強(qiáng)渦旋激光物理研究團(tuán)隊(duì)在利用超強(qiáng)拍瓦（PW）渦旋激光驅(qū)動(dòng)聚束質(zhì)子加速實(shí)驗(yàn)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Enhanced proton acceleration via Petawatt Laguerre–Gaussian lasers”為題，在Communications Physics發(fā)表。

隨著超強(qiáng)超短激光技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室激光強(qiáng)度已突破 1022 W/cm2。利用此類激光驅(qū)動(dòng)的離子源，因其具備短脈沖、高束流密度和低發(fā)散角等優(yōu)異特性，在質(zhì)子癌癥治療、質(zhì)子成像、中子源產(chǎn)生、溫稠密物質(zhì)制備、慣性約束聚變靶的“快速點(diǎn)火”方案以及離子加速器粒子源注入等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，這些應(yīng)用通常對(duì)束流品質(zhì)有嚴(yán)格要求，降低離子束發(fā)散角以提高束流亮度和能量是核心挑戰(zhàn)之一。

2000年以前，實(shí)現(xiàn)低發(fā)散角離子束頗具難度，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的強(qiáng)激光主要與厚固體靶、氣體噴流或亞微米團(tuán)簇相互作用，產(chǎn)生的離子束通常呈各向同性分布。技術(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2000年。三個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高強(qiáng)度激光照射薄固體靶時(shí)，能在靶背法線方向產(chǎn)生MeV量級(jí)的準(zhǔn)直質(zhì)子束。這一機(jī)制被命名為靶后法向鞘層加速（Target Normal Sheath Acceleration, TNSA），現(xiàn)已成為激光驅(qū)動(dòng)離子加速領(lǐng)域中最成熟且應(yīng)用最廣泛的機(jī)制。盡管TNSA機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)沿靶背法線方向的定向質(zhì)子加速，但早期實(shí)驗(yàn)獲得的質(zhì)子束發(fā)散角普遍較大（通常超過10°），仍難以滿足上述特定應(yīng)用對(duì)束流品質(zhì)的嚴(yán)苛要求。

近期，團(tuán)隊(duì)在上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）上將之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的超強(qiáng)渦旋激光（LG 激光）強(qiáng)度【Phys. Rev. Lett. 122, 024801 (2019); Phys. Rev. Lett. 125, 34801 (2020)】提升至 ~3×10²⁰ W/cm2 量級(jí)。利用其特有的相位奇點(diǎn)與環(huán)形光強(qiáng)分布，團(tuán)隊(duì)成功調(diào)制預(yù)等離子體靶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 35MeV 質(zhì)子束加速，并將發(fā)散角壓縮至 <2°（當(dāng)前強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)平面靶的最好實(shí)驗(yàn)結(jié)果），同時(shí)使最高截止能量較高斯激光提升 60% 且粒子束通量顯著增加。研究成果表明，未來獲取同等質(zhì)子束參數(shù)時(shí)，可大幅降低對(duì)激光器重復(fù)頻率的要求，對(duì)高重頻粒子源在聚變“快點(diǎn)火”、高對(duì)比度質(zhì)子成像、傳統(tǒng)加速器粒子束高效注入等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。

相關(guān)研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目、先導(dǎo)A的支持。

原文鏈接

圖1. 超強(qiáng)LG激光產(chǎn)生及其驅(qū)動(dòng)質(zhì)子加速實(shí)驗(yàn)布局圖。

圖2. 超強(qiáng)LG激光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子加速在發(fā)散角和能量方面與高斯激光情況的對(duì)比。