上海光机所：中等对比度PW飞秒激光加速高能质子束

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、快点火聚变等领域具有广泛的应用前景。这些应用需要高品质的离子束，目前实验上获得的离子品质离实际应用仍有一定的差距。

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，在TNSA机制中强激光在靶前加热产生大量超热电子，电子传输到靶后形成TV/m量级的鞘层场，静电场电离加速靶后离子。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实现，产生的离子源参数比较稳定。同时，考虑到现如今全世界已建成了数拍瓦飞秒激光装置，比如“羲和”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。

近日，研究团队在“羲和”激光装置上，系统性研究了激光预脉冲对TNSA加速的影响。对于超短超强激光装置，在主激光脉冲到达靶前的皮秒至纳秒时间尺度内，将不可避免地引入预脉冲与靶相互作用，使靶预加热、电离并扩散，从而影响主激光与靶相互作用。研究团队利用不同对比度的PW激光与微米靶相互作用，发现TNSA机制下中等对比度激光可获得更高能的质子束。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第6期(Xiaojing Guo, Shuai Xu, Hui Zhang, Qingsong Wang, Shun Li, Dirui Xu, Lianghong Yu, Yi Xu, Cheng Wang, Xingyan Liu, Yanqi Liu, Xiaoyan Liang, Yuxin Leng, Baifei Shen, Liangliang Ji, Ruxin Li, “Effect of laser prepulse on proton acceleration driven by femtosecond intense lasers,” High Power Laser Sci. Eng. 13, 06000e99 (2025))。

实验布置示意图如图（a）所示，到靶激光功率2 PW，脉宽30 fs，光强1.2×10²¹ W/cm²，激光入射角为15°，靶为1-30 μm厚的铜平面靶。靶后法线法向放置辐射变色膜（Radiochromic Film, RCF）堆栈以及汤姆逊谱仪，用于测量质子束的空间分布以及能谱。实验中使用了三种不同对比度的激光条件，低对比度、中等对比度、高对比度。低对比度激光在纳秒和皮秒域都有较强的预脉冲，中对比度激光只在皮秒域有强度较小的预脉冲，而高对比激光是利用等离子体镜进一步提高了激光对比度。

图（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

实验结果如图（b）和（c）所示，发现对于低对比度、中等对比度和高对比度激光条件，激光质子加速的最佳靶厚逐步增加，分别是15 μm、4 μm和2 μm。相比于低对比度和高对比度，中等对比度激光产生了最高的质子截止能量，为58.9 MeV。流体模拟和粒子网格（Particle-in-Cell, PIC）模拟表明（如图（d）和（e）所示），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。

这项工作将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。未来，“羲和”激光装置将会进一步优化激光焦斑、提高激光功率，获得更高的光强，有望实现100 MeV高能质子束。