近日，中科院上海光機(jī)所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室超強(qiáng)渦旋激光物理研究團(tuán)隊在利用超強(qiáng)拍瓦（PW）渦旋激光驅(qū)動聚束質(zhì)子加速實驗方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Enhanced proton acceleration via Petawatt Laguerre–Gaussian lasers”為題，在Communications Physics發(fā)表。

隨著超強(qiáng)超短激光技術(shù)的飛速發(fā)展，實驗室激光強(qiáng)度已突破 10²² W/cm²。利用此類激光驅(qū)動的離子源，因其具備短脈沖、高束流密度和低發(fā)散角等優(yōu)異特性，在質(zhì)子癌癥治療、質(zhì)子成像、中子源產(chǎn)生、溫稠密物質(zhì)制備、慣性約束聚變靶的“快速點火”方案以及離子加速器粒子源注入等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，這些應(yīng)用通常對束流品質(zhì)有嚴(yán)格要求，降低離子束發(fā)散角以提高束流亮度和能量是核心挑戰(zhàn)之一。

2000年以前，實現(xiàn)低發(fā)散角離子束頗具難度，因為當(dāng)時的強(qiáng)激光主要與厚固體靶、氣體噴流或亞微米團(tuán)簇相互作用，產(chǎn)生的離子束通常呈各向同性分布。技術(shù)轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2000年。三個獨立實驗組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高強(qiáng)度激光照射薄固體靶時，能在靶背法線方向產(chǎn)生MeV量級的準(zhǔn)直質(zhì)子束。這一機(jī)制被命名為靶后法向鞘層加速（Target Normal Sheath Acceleration, TNSA），現(xiàn)已成為激光驅(qū)動離子加速領(lǐng)域中最成熟且應(yīng)用最廣泛的機(jī)制。盡管TNSA機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)沿靶背法線方向的定向質(zhì)子加速，但早期實驗獲得的質(zhì)子束發(fā)散角普遍較大（通常超過10°），仍難以滿足上述特定應(yīng)用對束流品質(zhì)的嚴(yán)苛要求。

近期，團(tuán)隊在上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置（SULF）上將之前已經(jīng)實現(xiàn)的超強(qiáng)渦旋激光（LG 激光）強(qiáng)度【Phys. Rev. Lett. 122, 024801 (2019); Phys. Rev. Lett. 125, 34801 (2020)】提升至 ~3×1020 W/cm² 量級。利用其特有的相位奇點與環(huán)形光強(qiáng)分布，團(tuán)隊成功調(diào)制預(yù)等離子體靶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn) 35MeV 質(zhì)子束加速，并將發(fā)散角壓縮至 <2°（當(dāng)前強(qiáng)激光驅(qū)動平面靶的最好實驗結(jié)果），同時使最高截止能量較高斯激光提升 60% 且粒子束通量顯著增加。研究成果表明，未來獲取同等質(zhì)子束參數(shù)時，可大幅降低對激光器重復(fù)頻率的要求，對高重頻粒子源在聚變“快點火”、高對比度質(zhì)子成像、傳統(tǒng)加速器粒子束高效注入等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價值。

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超強(qiáng)LG激光產(chǎn)生及其驅(qū)動質(zhì)子加速實驗布局圖

相關(guān)研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究項目、國家自然科學(xué)基金項目、上海市自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院國際合作項目、先導(dǎo)A的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42005-025-02205-y