利用低对比度飞秒激光与金属-石墨烯靶材实现靶背鞘层加速机制下的质子与碳离子加速

摘要： 采用强度约为10^18 W/cm2、对比度为10^-5的飞秒脉冲激光辐照薄箔，研究靶背鞘层加速（TNSA）机制。使用由金属片构成的1/11微米厚度箔材（其单面或双面沉积有10纳米厚的还原氧化石墨烯薄膜）开展前向离子加速实验，通过飞行时间法配置的碳化硅半导体探测器检测前向加速离子。低对比度条件下产生的强长预脉冲会形成预等离子体破坏箔材，导致后续主激光脉冲与膨胀等离子体而非过密固态表面相互作用，因而无法将质子加速至1 MeV以上。实验结果表明，在最佳加速条件下可获得约700 keV的质子最大能量及4.2 MeV以上的碳离子更高能量。离子能量与电荷态测量证实：通过质子能量可测算各电荷态的加速情况，验证了库仑-玻尔兹曼位移理论模型。但由于质量与低速特性，重离子无法被驱动轻离子加速的快速强电场作用。如后文所述，通过优化激光焦点定位及箔材厚度、成分与结构可实现离子加速效果提升。