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超强激光科学卓越创新简报

(第六百八十七期)

2025年7月11日

上海光机所在超强涡旋激光驱动质子聚束加速实验方面取得重要进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室超强涡旋激光物理研究团队在利用超强拍瓦（PW）涡旋激光驱动聚束质子加速实验方面取得重要进展，相关成果以“Enhanced proton acceleration via Petawatt Laguerre–Gaussian lasers”为题，在Communications Physics发表。

随着超强超短激光技术的飞速发展，实验室激光强度已突破 10²² W/cm²。利用此类激光驱动的离子源，因其具备短脉冲、高束流密度和低发散角等优异特性，在质子癌症治疗、质子成像、中子源产生、温稠密物质制备、惯性约束聚变靶的“快速点火”方案以及离子加速器粒子源注入等领域展现出广阔的应用前景。然而，这些应用通常对束流品质有严格要求，降低离子束发散角以提高束流亮度和能量是核心挑战之一。

2000年以前，实现低发散角离子束颇具难度，因为当时的强激光主要与厚固体靶、气体喷流或亚微米团簇相互作用，产生的离子束通常呈各向同性分布。技术转折点出现在2000年。三个独立实验组发现，当高强度激光照射薄固体靶时，能在靶背法线方向产生MeV量级的准直质子束。这一机制被命名为靶后法向鞘层加速（Target Normal Sheath Acceleration, TNSA），现已成为激光驱动离子加速领域中最成熟且应用最广泛的机制。尽管TNSA机制能够实现沿靶背法线方向的定向质子加速，但早期实验获得的质子束发散角普遍较大（通常超过10°），仍难以满足上述特定应用对束流品质的严苛要求。

近期，团队在上海超强超短激光实验装置（SULF）上将之前已经实现的超强涡旋激光（LG 激光）强度【Phys. Rev. Lett. 122, 024801 (2019); Phys. Rev. Lett. 125, 34801 (2020)】提升至 ~3×1020 W/cm² 量级。利用其特有的相位奇点与环形光强分布，团队成功调制预等离子体靶结构，实现 35MeV 质子束加速，并将发散角压缩至 <2°（当前强激光驱动平面靶的最好实验结果），同时使最高截止能量较高斯激光提升 60% 且粒子束通量显著增加。研究成果表明，未来获取同等质子束参数时，可大幅降低对激光器重复频率的要求，对高重频粒子源在聚变“快点火”、高对比度质子成像、传统加速器粒子束高效注入等领域的应用具有重要价值。

相关研究得到了中国科学院战略重点研究项目、国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金项目、中国科学院国际合作项目、先导A的支持。（超强激光科学与技术全国重点实验室供稿）

原文链接

图1. 超强LG激光产生及其驱动质子加速实验布局图。

图2. 超强LG激光驱动质子加速在发散角和能量方面与高斯激光情况的对比。

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