上海光机所在超强涡旋激光驱动等离子体棱镜准直加速质子束方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在超强涡旋激光驱动等离子体棱镜实现高效聚束质子加速方面取得进展，相关成果以Collimated particle acceleration by vortex laser－induced self－structured“plasma lens”为题，在Applied Physics Letters上发表。

获得小发散角、高准直度的质子束一直是激光驱动粒子加速应用领域的难题。为了解决这一难题，科学家们已经提出使用结构靶、级联加速、磁四极铁等方案来实现对高能离子的调控，本质上这些方法是在横向上提供了一种“电棱镜”或“磁棱镜”来聚束高能离子束，其靶的构型复杂、造价昂贵，并且对多束激光精准时空同步等有着苛刻的要求。针对于质子医疗、中子产生、核反应等应用所需的高重频PW、甚至10PW激光驱动的高重频质子源，迫切需要找到一种简易的、能够降低实验要求的方案。

超强拉盖尔－高斯（LG）激光为我们提供了一种获得重频质子源的有效方法。研究团队发现：利用单束环形LG激光的预脉冲和主脉冲与最简单的平面薄膜靶作用可以“自恰”形成凹面等离子体膨胀，进而在靶后鞘场法向加速机制中实现凹面鞘场对质子束的法向汇聚加速（发散角为2．7°），仅为传统高斯激光驱动质子加速情况的1／10，同时质子束的最高截止能量可提高约50％，该项机制为将来高重频PW激光驱动高重频质子源的广泛应用提供了一种可行有效的方法。

该项成果是研究团队在理论上提出新型光镊——相对论涡旋刀（Physical Review Letters 122，024801（2019））和在实验上获得世界最强LG激光产生（Physical Review Letters 125，034801（2020））的工作基础上，对超强LG激光应用的进一步开拓，具有广泛的应用价值。

相关的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、上海自然科学基金面上项目、中科院原始创新0到1项目等项目的支持。

图1 （a）高斯激光和LG激光的光强分布（b）LG激光聚束质子加速示意图

图2 高斯激光驱动质子发散场和LG激光驱动会聚场分布对比