248nm紫外短波长超强短脉冲激光驱动的质子加速研究

High-intensity proton beams produced by laser-plasma interaction have a potential to be applied in various fields of research including high energy-density physics and inertial confinement fusion. The progress in 248nm UV KrF laser is surprising,and a picosecond laser with higher contrast of 1.0E-9, energy of joule and focused density of 1.0E18W/cm² is acquired. Proton acceleration driven by the high-intensity UV laser is a new subject. The UV laser has a shorter wavelength, higher critical density and higher absorbing efficiency than infrared lasers. The character of high contrast may reduce the influence of preplasma and produce plasma with high density gradient. It is propitious to increase the electron density, beam intensity of protons and energy efficiency. Influences induced by laser wavelength in proton accleration will be researched in the UV short-pulse laser-driven proton acceleration by particle-in-cell simulation and experiments.The experiments will be carried on the electron-beam-pumped KrF laser, proton spectra, divergence angle and energy efficiency will be measured, the influence of laser wavelength will be discussed in detail.

超强脉冲激光驱动等离子体加速产生强流脉冲质子束，在高能量密度物理和惯性约束聚变等领域有着重要的研究意义。高对比度的焦耳量级、聚焦功率密度1.0E18W/cm² 的248nm深紫外波段的短脉冲激光的发展，给激光驱动的质子加速提供了一个新的研究方向。高对比度的紫外激光，有效的抑制预等离子体对质子加速的影响，波长短，具有高临界密度和更好的激光吸收效率，可以产生具有超高密度梯度的高密度等离子体，有利于提高超热电子密度，提高质子加速的束流强度和能量转换效率。本项目拟采用基于PIC 模拟，研究短波长紫外脉冲激光对质子加速过程的影响，获取紫外脉冲激光驱动产生高转化效率的强流脉冲质子束流的优化条件；在焦耳量级紫外短脉冲激光装置上，开展紫外激光驱动的质子加速的实验研究，研究短波长激光驱动薄膜靶产生的质子能谱、发散角和能量转换效率等，探索提高激光等离子体加速产生高性能质子束的能量转换效率的关键技术。

本项目开展了248nm紫外KrF短脉冲激光驱动的质子加速和800nm红外超短脉冲激光驱动质子加速的研究。研究了薄膜靶材料、沾染层、薄膜靶厚度等对激光驱动等离子体加速产生高性能粒子束的影响。研究了紫外短波长激光驱动质子加速的影响，在相同Iλ²的情况下，由于紫外短波长激光具有更高的临界密度和对比度，在产生了更高的电子密度，从而增强了鞘层电荷分离场的强度，提高了质子的能量。开展了红外超短脉冲激光驱动固体薄膜靶加速质子的对比实验研究，实验研究了不同厚度的薄膜靶对质子峰值能量和质子产额的影响，发现激光预脉冲产生的预等离子体，在没有足够的能量或时间影响或破坏薄膜靶后表面的情况下，质子能量和能量转换效率随着薄膜靶厚度的降低而提高，薄膜靶最优化厚度的存在是由于激光预脉冲和热电子在薄膜靶中的输运行为的影响。