微米结构在激光质子加速中的新颖效应及其应用开拓

Laser-driven acceleration is an important direction to go in developing compact table-tap particle sources. In particular, the primary method for proton acceleration is irradiating solid foils by femtosecond relativistic laser pulses . High energy proton beam has been a core interest in several key applications such as fast-ignition fusion, cancer therapy and imaging, yet laser-proton acceleration faces strong limitations from the interaction mechanism to the state-of-art laser technology. Currently, the proton energy from experiments are far behind the predictions made by theories, thus imposing a negative force to the development of laser-proton acceleration. In this project, based on existing and under-construction laser facilities, we propose that by incorporating strong-field lasers and micro & nano-fabrication technique, laser-driven micro-structures is capable of enhancing the proton energy , manipulating the beam spectra and improving the beam collimation. The important support from this project will help to develop a platform that combines theories, 3D nano-priting and laser-foil experiments. We hope our work could lead to break-through of the bottle neck on laser-driven solid material and motivate the applications of laser-accelerated proton sources.

激光加速是紧凑型、台式化粒子源的重要发展方向，其中飞秒相对论激光驱动固体薄靶是质子加速的主要方法。高能质子在快点火核聚变、癌症治疗、探测成像等关键应用上有巨大的价值，但激光质子加速受制于相互作用机制与激光技术水平，目前获得的质子束能量还远达不到理论预期，严重影响了其发展。本项目提出将强场激光与微纳加工结合的方法，以现有、在建的超短超强激光装置为基础，将微米结构应用于激光质子加速，显著增强质子能量、控制束的能谱、提高束准直性。在项目的支持下，将建立理论模拟、3D纳米打印、激光打靶实验的综合平台，突破飞秒相对论激光驱动固体靶的瓶颈，切实推动激光质子加速的应用实现。

超强激光驱动质子源在质子成像、快点火核聚变、质子刀癌症治疗等方面具有重要应用价值，如何提高其能量和效率是实现这些应用的重要挑战。目前主要采用强激光与平面靶相互作用的方式获得高能质子源，受制于固体密度等离子体的相互作用机制，主流靶后法线鞘层加速定标率低，能量效率也存在瓶颈。为解决这些挑战，本项目提出采用3D打印的固体微纳结构来提升质子加速的能量和效率。在三维微纳结构中，飞秒超强激光可以激发激光直接加速机制，大幅提高定向高能电子的能量和数量，从而有效增强鞘层电场，可突破原有方式的局限，获得更高的质子能量与加速效率。针对该目标，本项目开展了激光质子加速的实验和理论研究，首先发展了对质子源的能谱、束尺寸、层流性的多维表征技术；其次，基于羲和激光，在平面靶条件下获得了超过60MeV的质子能量，达到飞秒激光质子加速的国内最高水平，也进入了国际前列。在此基础上，通过3D打印的微米阵列靶，将激光质子加速能量转换效率提升到8.7%，处于国际领先水平。在理论方面，揭示了微纳结构质子加速的关键是将高能电子束有效耦合的鞘层场产生过程，同时提出了激光驱动产生自旋极化粒子源的若干方案。这些结果不但证明了微纳结构在激光质子加速方面的重要价值，同时也有力促进了我国激光质子加速的发展，为推动其在聚变能源、癌症治疗、高能量密度物理等方面的应用奠定了重要基础。

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