光学青年 | 漫谈强激光驱动质子加速
1986年CPA技术促使激光强度快速提升到1018W/cm2以上，脉宽压缩到飞秒（fs：10-15s）量级。这使光与物质的相互作用进入了相对论强场等离子体领域。过去二十多年里，强场激光物理研究取得了很多重要进展，也是CPA技术发明人Mourou教授等获得2018年诺贝尔物理学奖的重要原因。
强场激光物理过去数十年研究的一个核心问题是如何有效地将超强超短激光脉冲转换为次级高能粒子。以超强激光与等离子体相互作用为基础，人们逐渐开创了强激光驱动产生高能离子源这一前沿方向。激光驱动产生的离子源具有束源小，流强高的独特优势，在聚变快点火、质子照相等方面具有极为重要的应用。
长期以来，由于实验操作相对比较成熟，人们都是通过靶后法线鞘层加速机制（TNSA）来实现激光加速离子的，但对于这种加速机制，激光能量首先传递给电子，再进一步转换给离子，因此通过这种机制激光加速质子的转换效率一般低于5%，能量难以突破100MeV且能谱宽度几乎为100%。这些固有缺陷使激光加速的发展与应用受到巨大阻碍和挑战，历经16年，通过这种加速机制获得的质子最高能量从2000年的57MeV[1]提高到85MeV[2]。
近10余年来发展起来的光压整体加速机制则突破了这些物理局限，在能量转换效率、能量、能散度这三个方面均有巨大提升（可突破1GeV的质子能量，转换效率理论上可接近100%，离子束为准单能分布）。光压整体加速离子的概念早在2001年被明确提出[3]，超强圆偏振激光作用于固体薄靶时，光压推动电子，产生的电荷分离场直接加速离子，薄膜靶就像一个整体被向前加速。
图2：（左图）激光活塞模型。（右图）离子最大动能随时间的变化和t=80×2π/ω时刻的位相图[4]。
对于光压加速，如何凸显光压作用是关键，长久以来，人们都是采用线偏振激光驱动加速，实际上，当激光强度远大于相对论阈值时，如1023 W/cm2，线偏振激光光压作用占主导作用可有效加速质子[4]。而圆偏振激光作用时由于其有质动力只有稳定项，等离子体电子加热效应被抑制，在激光强度较低时，如1018W/cm2时光压效应即可占主导，光压有效推动电子，与离子间形成稳定加速场，离子被高速运动的加速场反射，获得有效加速。
图3：光压多级加速示意图
基于此，我们于2007年提出光压驱动多级离子加速机制。如图3所示[5]，即激光与一定厚度的靶作用，靶内离子被反射加速完后，只要激光脉冲足够长，靶内离子可进行第二、第三级的持续加速，使离子能量不断提升。
在此基础上，我们又进一步阐述了超强激光与超薄靶的光压加速过程，首次给出光压整体加速机制的微观物理过程描述，并明确了激光光压整体加速机制在能量转换效率（理论上可接近100%）以及离子束性能上的巨大优势。
图4：1022W/cm2的激光作用在厚度为2λ、密度为10nc的靶上相空间蚕茧结构。[6]
当激光足够强或者薄膜靶相对比较薄时，相邻两级加速的时间间隔越来越短，多次加速之间宏观上不存在时间间隔，靶中的离子被循环加速，离子在相空间中呈现“蚕茧”结构，即多级加速卷曲局域在一个很小的相空间区域上，如图4所示[6]，等离子体靶看上去像是被光压驱动整体向前推进，宏观上呈现出被光压整体加速的效果。
这一结构后来也被称为“稳相加速”或“光帆加速”[7, 8]。即当激光和等离子体靶的参数选择合适时，激光光压直接推动整个靶内所有电子，致使光压加速的每级加速时间非常短，靶内所有离子在静电分离场的作用下快速被加速到较高的能量，在光压的驱动下，等离子体靶内电子和离子通过静电分离场的维系而被整体加速。激光脉冲通过光压作用在靶内电子上，就像船上的帆，拉动靶内离子一起运动，因此人们形象地称此为光帆加速。
光压整体加速机制是目前公认的最重要的离子加速机制之一，国内外多个知名机构（上海光机所、北京大学、上海交通大学、国防科大，德国杜塞尔多夫大学、德国马普研究所、日本原子能研究所、意大利比萨大学，英国贝尔法斯特，美国卢瑟福实验室等）都投入了大量的理论和实验研究，成为世界范围内超强超短激光装置的重要科学目标之一。
光压在离子加速方面的优势已被英国卢瑟福实验室、德国马普研究所、美国LANL实验室以及韩国实验结果所证实，如韩国实验组采用光压驱动加速获得93MeV的质子束，是目前国际上激光质子加速的最高能量之一[9]。
图5：（左图）光压加速示意图。（右图）光压加速实验结果，质子最高能量93MeV[9]。
光压加速机制理论上可以将质子加速到能量GeV量级，但是由于这种加速机制在加速后期加速梯度越来越小，被加速离子获得能量与x1/3 (t1/3)成正比，因此很难将离子加速到几十甚至几百GeV量级。因此，为了获得更高能量的离子，加速场需要以接近光速运动，除了光压加速机制外，激光驱动形成的空泡结构能够很好地满足这个条件。
空泡是一种特殊的三维尾波结构，超短超强激光在稀薄等离子体中传播时，电子被激光的有质动力迅速从前向和侧向推开，离子由于远比电子重而形成正电荷背景，回流电子在横向静电力的作用下汇聚在“空泡”的底部，从而形成椭圆状的电子空泡，如图6所示。通常用来加速电子形成的空泡是一个微小的结构，尺寸大约为等离子体波波长，空泡结构非常稳定，可在等离子体中传播很长的距离，目前空泡加速是加速机制最清楚、加速电子最有效的方案之一，不管是理论上还是实验上都已得到广泛研究。
图6：激光驱动空泡加速示意图。[Malka et al，https://www.researchgate.net/publication/221909714]
空泡机制加速电子是利用空泡尾部的负电场，满足捕获条件后，电子可以在空泡尾部被持续稳定长距离加速，加速距离可达厘米量级。以此类推，如果空泡前端的正电场足够强，它可以捕获质子并能够使其稳定持续加速，从而也可以获得超高能量的离子束。空泡离子加速机制于2007年提出并获得27GeV的质子加速[10]，从而证实了空泡可以加速质子。为了更有效的使质子注入到尾场中，同时兼具光压加速机制和尾场加速机制双重优势的光压尾场级联加速机制被提出，并获得近百GeV的质子加速[11, 12]。
图7：光压尾场级联加速机制。(左图)背景电子和小靶质子分布图。(右图)被加速质子的能谱分布。
综之，对于获得keV-MeV量级的离子束，靶后鞘层加速机制是较好的选择，对于获得MeV-百MeV量级的离子束，可采用光压加速机制，对于更高能量，如几十GeV-百GeV能量的质子束，光压联合空泡机制是更好的选择。
光压整体加速机制在离子能量和能量转换效率方面具有巨大优势，实验也初步证明了光压的优势，缺点是其对激光强度，对比度等品质要求较高，就目前国内外已有的激光水平来说还未获得更好的结果。
最近，中国（SULF）和欧洲（ELI）的10 PW激光装置逐渐建成，并即将开始投入物理实验，光压加速离子所需的最佳实验条件即将实现。因此，目前基于光压加速机制的离子加速相关物理实验研究将要快速发展。
作者简介：
张晓梅，中科院上海光机所研究员。主要从事强场激光与物质相互作用领域的研究工作，包括强激光驱动粒子加速（电子、离子），强场涡旋激光与等离子体相互作用。
参考文献：
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[11] Shen,B. F., Zhang, X. M., Sheng, Z. M., Yu, M. Y., and Cary, J., High-quality monoenergetic proton generationby sequential radiation pressure and bubble acceleration, Physical ReviewSpecial Topics-Accelerators and Beams 12,121301 (2009).
[12] Zhang,Xiaomei, Shen, Baifei, Ji, Liangliang, Wang, Fengchao, Wen, Meng, Wang,Wenpeng, Xu, Jiancai, and Yu, Yahong, Ultrahighenergy proton generation in sequential radiation pressure and bubble regime,Physics of plasmas 17, 123102(2010).
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