飞秒超强激光驱动小尺寸靶产生兆电子伏特质子及对质子束整形的研究

Optimized MeV proton generation and spatial-intensity profile shaping are proposed by using mass-limited targets driven by ultraintense femtosecond laser pulses. Target with transverse dimensions less than millimeters (so called "mass-limited") has shown its unique ability in achieving enhanced proton acceleration, both in maximum energy and energy conversion efficiency, with a picosecond ultraintense laser driver. We believe this enhancement could be further optimized, by controlling the scalelength of the preplasma and its matching to the target dimensions. Our preliminary results show that the target shapes could be mapped to the proton profiles. This provide a simple and actively controllable method in shaping the MeV proton spatial profiles by engineering the shapes of the mass-limited targets. Experiments will be performed to achieve these goals by using femtosecond ultraintense laser. The underline physics will be clarified with analytical and numerical simuliations. Maximum proton energy > 10 MeV and laser-to-proton energy conversion efficiecy > 1% are expected to be reached, and the shape-controlled proton emission will be demonstrated. This proton beam could find important applications in single-shot multiple-frame proton radiography, warm dense matter state generation etc.

该研究项目是利用微米尺度小尺寸靶与超强飞秒激光的相互作用优化兆电子伏特（MeV）高能质子的产生、并对高能质子束的空间强度分布进行整形。前期的研究结果表明，相比较毫米尺寸的靶，利用数十到数百微米的小横向尺寸靶，由皮秒级超强激光驱动产生的质子最大能量和能量转换效率均大幅度得到提高。我们认为，高能质子的产生还可以进一步得到优化，而控制预等离子体的尺度和选择合适的靶尺寸是其中的关键。初步实验还发现，小尺寸靶的靶形状能够映射到质子的空间强度分布上。通过小尺寸靶的靶形设计，有望对高能质子束的形状进行主动操控。本项目拟采用理论研究和实验研究相结合的方法。通过本项目的研究，预期实现最大能量超过10 MeV，能量转换效率大于1%，以及束形可控的高能质子束产生。该质子束将在单发多分幅质子照相、温稠密物质产生等方面具有广泛的应用前景。

本项目利用微米尺度的小尺寸平面靶与超强飞秒激光相互作用，优化兆电子伏特高能质子束的产生、并对高能质子束的空间强度分布进行整形。项目执行中，建成了一套基于超短飞秒激光的激光离子加速平台和增添了一套提升脉冲对比度的等离子体镜系统，并发展了一套完备的实验诊断系统。利用搭建的平台，开展了一系列的实验和理论研究工作，实现了小尺寸靶优化质子加速和对质子束空间强度分布整形的原定计划；还进一步研究了一种新型的质子能谱产生机制，以及其对激光对比度、靶尺寸的依赖关系；利用微结构靶对激光产生质子束的空间强度分布、发散角和最大能量等进行了优化控制；结合预脉冲产生，我们实现了质子产生机制的主动可调谐。基于国际合作，提出了质子加热产生预等离子体的新方法并通过太赫兹产生进行验证、研究了不同预等离子体尺寸下的电子输运机制及利用微结构小尺寸靶设计，研究电子的横向输运模式。