Дается краткий обзор недавних результатов теории и численного моделирования по ускорению ионов из различных мишеней, облучаемых мощными фемтосекундными лазерными импульсами. Представленные результаты включают оптимизацию лазер-плазменного ускорения ионов по толщине твердотельной мишени; новую зависимость энергии протонов, ускоренных из полупрозрачной фольги, от энергии падающего импульса; теоретическую модель разлета плазменного слоя в вакуум для заданной температуры нагретых электронов, охватывающую произвольный режим ускорения частиц от квазинейтрального растекания плазмы до кулоновского взрыва; аналитические теории релятивистского кулоновского взрыва сферической микро-мишени и радиального пондеромоторного ускорения ионов из лазерного канала в прозрачной плазме; результаты оптимизационных расчетов по наработке изотопов для медицины с помощью лазеров следующего поколения.

The interaction of a relativistic short laser pulse with thin foil is studied using 3D PIC simulations in the context of optimized high-energy proton generation for nuclear medicine and pharmacy. As an example, we analyze the Tc-99m yield from the Mo-100(p,2n)Tc-99m reaction with the International Coherent Amplification Network (ICAN) concept defined by a 10 J pulse energy and 10 kHz repetition rate. Based on 3D PIC simulation it has been demonstrated that normally incident 100 fs laser pulse with maximum intensity of 5 × 10^21 W/cm^2 is able to generate 10^11 protons with energy upto 45 MeV from thin semi-transparent CH2 target. Such laser-produced proton beam after 6 hours bombardment of the thick metallic Mo-100 target gives around 300 Gbq activities of Tc-99m isotope. This gives reason to believe that laser technology for producing technetium is possible with ICAN concept to replace the traditional scheme through the fission of weapons-grade uranium.

This paper describes the study of hot electron generation under the action of intense (10^18 W/cm^2) femtosecond pulses onto the surface of a solid target, in the presence of a long pre-plasma, which varied with different spatial extents and densities. The corona was formed by pre-pulses with varied intensities and temporal profiles (amplified spontaneous emission (ASE) and short pre-pulses). The most efficient fast electron acceleration, to energies well beyond the ponderomotive potential, was observed if the ASE was able to form to the extent of 100 mkm a slightly undercritical plasma. Energy of accelerated electrons underwent further growth if the laser pulse duration increased from 45 to 350 fs at constant energy fluence. The experimental results were supported by numerical simulations using 3D3V Mandor PIC code.

Представлена вторая часть обзора, первая часть которого опубликована ранее (Физика плазмы, 2013, т. 39, No 9, с. 786–836). Описывается широкий круг электромагнитных явлений в лазерной плазме в условиях нелокального переноса, требующих кинетического рассмотрения; среди них: нелокальный перенос в плазме в магнитном поле, поглощение и проникновение лазерного излучения в плотную плазму, нелокальные эффекты обратнотормозного нагрева и пондеромоторного взаимодействия, плазменные флуктуации спеклованного лазерного пучка, распространение лазерного пучка и параметрические неустойчивости в малоплотной плазме, ионно звуковая неустойчивость обратного тока. Значительная часть представленных результатов применима для произвольных соотношений между характерными пространственными и временными масштабами плазмы, что существенно продвигает представления о лазерно плазменном взаимодействии в горячей плазме по сравнению с традиционными теориями бесстолкновительной либо сильностолкновительной плазмы.

The aim of this study is to optimize the characteristics, in particular, the maximum energy and the number of high energy protons accelerated by a high intensity laser from different targets by using two- and three-dimensional particle-in-cell simulations. Two principal ways are considered to increase the maximum proton energy: (1) the use of an optimized target design (by choosing its atomic composition, density, structure, thickness, and transverse size); (2) variation of the laser pulse parameters (duration, power, intensity, focal spot size, polarization, pulse shape, etc.). Our analysis demonstrates a possibility to accelerate protons to the energies exceeding 200 MeV with 20 J laser pulses with appropriately chosen focusing and duration.

Проблема описания переноса заряженных частиц в горячей плазме, когда отношение длины свободного пробега электронов к градиентной длине не очень мало, является одной из ключевых проблем физики плазмы. Однако до сих пор ощущается дефицит системного изложения современного состояния этого вопроса, который в большинстве работ формулируется как проблема нелокального переноса. Настоящим обзором мы восполняем этот пробел, излагая последовательную линейную теорию нелокального переноса для малых возмущений плазмы с произвольной столкновительностью от классического гидродинамического режима сильных столкновений до бесстолкновительного режима, описывая ряд нелинейных моделей переноса и демонстрируя применения теории неклассического переноса для решения ряда задач физики плазмы, прежде всего для плазмы, создаваемой наносекундными лазерными импульсами с интенсивностями 10^13 –10^16 Вт/см^2.

Ultrashort laser pulse interaction with a microstructured surface of a melted metal is a promising source of hard x-ray radiation. Microstructuring is achieved by a weak prepulse that produces narrow high-density microjets. As an x-ray source, the interaction of the main laser pulse with such jets is shown to be nearly two orders of magnitude more efficient than the interaction with ordinary metal targets. This paper presents the results of optical and x-ray studies of laser-plasma interaction physics under such conditions supported by numerical simulations of microjet formation and fastelectron generation.

Применительно к проблеме лазерного ускорения ионов, развита теория разлёта полностью ионизованной тонкой мишени двухкомпонентного ионного состава в режиме кулоновского взрыва, характерного для взаимодействия релятивистски сильных фемтосекундных лазерных импульсов с нанофольгами. На основе этой теории и простой численной модели изучено формирование сгустков квазимоноэнергетических лёгких ионов и найдены их характеристики в зависимости от параметров мишени. Проведён сравнительный анализ ускорения лёгких ионов, однородно распределённых в мишени и сконцентрированных в виде тонкого слоя. Найдены оптимальные условия для получения пучков ускоренных ионов высокого качества, которые нашли своё качественное подтверждение проведёнными трёхмерными кинетическими расчётами взаимодействия лазерного импульса с тонкими мишенями.

A rigorous procedure is proposed for finding a solution to kinetic equations with the Landau electron-electron, electron-ion, ion-electron, and ion-ion collision integrals in fully ionized plasma. The linear plasma response to the perturbation in the electrostatic field is described in terms of plasma dielectric permittivity. Solutions of the dispersion relation for electron plasma waves, ion-acoustic waves, and entropy modes are found in the entire range of frequencies, wave vectors, and particle collisionality. Several fits are obtained to enable practical applications of these results.

Improving of intensity contrast ratio of intense short laser pulses is making it possible to use submicron-sized targets, both spherical and plane, in the interest of proton acceleration for different applications. The way of improving of the ion beam quality is utilization of targets with two ion species - heavy ions (majority) and light ions, e.g. protons, (minority). Two different approaches, analytical theory and particle-in-cell simulations (PIC) are presented for studying the characteristics of laser-triggered ions due to the Coulomb-like mechanism of particle acceleration from submicron-sized targets. The comparative analysis of explosions of heterogeneous (layered) and homogeneously mixed targets for production of best quality ion bunches has been performed. We also found the regime of anisotropic proton acceleration from spherical targets with light and heavy ions relevant to the experiments with submicron diameter droplets from water spray target irradiated by an ultrashort intense laser pulse.

A suppression of light-ion acceleration (from surface water contaminants) was observed when a moderate-intensity subpicosecond laser pulse was focused on a thick metal target. Simultaneously, an effective generation of high-energy multicharge ions of the target material (Fe) was experimentally observed. A numerical simulation based on the Boltzmann–Vlasov–Poisson model revealed that this is due to the very specific regime of cleaning contaminants from the target surface by the short weak prepulse preceding the main pulse by more than 10 ns and having an intensity below the surface breakdown threshold. Because this prepulse causes the contaminant layer to boil explosively, a low-density gap forms above the target surface. These conditions are consequently favorable for boosting the energy of heavy ions.

В подходе пробных частиц решена задача о прямом ускорении электронов коротким интенсивным лазерным импульсом радиальной поляризации для случая, когда размер фокального пятна может быть порядка длины волны лазера. Для описания полей остросфокусированного лазерного пучка использованы интегралы Стрэттона-Чу, позволяющие исследовать ускорение электронов в условиях, когда параксиальное приближение для лазерных полей неприменимо. Проанализирована динамика движения электронов в релятивистскисильном радиально поляризованном лазерном поле в зависимости от начального положения частиц в фокальной области лазерного пучка. Также исследованы свойства возникающих струй ускоренных электронов в зависимости от остроты фокусировки лазерного импульса. Обсуждаются преимущества возможного использования лазерных импульсов радиальной поляризации по сравнению со случаем линейной поляризации лазерного излучения для ускорения заряженных частиц.

We study ultrashort-laser-pulse absorption and plasma heating at a sharp plasma–vacuum interface using advanced models for all-range plasma permittivity and nonlocal heat transport. The electron response includes both collisional and collisionless dissipative effects in the plasma of an arbitrary ion charge. We show that nonlocal electron heat transport is important for correct determination of the value of electron temperature and spatial temperature profile. Nonlocal electron heat flux comes into play after electrons heat up to temperatures of the order of 1 keV and to temperatures several times less for low-density targets.

Based on3Dparticle-in-cell(PIC)simulationsacomparativeanalysisoflaser-triggeredproton generationfromtheinteractionofshorthigh-intensitylaserpulseswithultrathinfoilsanddensegas jets hasbeenperformed.Ithasbeenshownthatforultra-relativisticlaserintensitiestheuseoflow- densitytargetswithnearcriticaldensity(aerogelordensegasjet)hasnoadvantageincomparison with ultrathinfoilsintermsofmaximumprotonenergyandspectrumquality.Utilizationofmass- limited foilswithsubmicronthicknessdemonstratesevengreatersuperiorityforoverdensetargetsand allows onetoproducemonoenergeticprotonbeamswithenergiesofhundredsofmega-electron-volts by usinghigh-contrastlaserpulseswithenergiesoftheorderoftensofJoules.

The ion response to relativistic electron bunches in the so called bubble or blowout regime of a laser- plasma accelerator is discussed. In response to the strong fields of the accelerated electrons the ions form a central filament along the laser axis that can be compressed to densities 2 orders of magnitude higher than the initial particle density. A theory of the filament formation and a model of ion self-compression are proposed. It is also shown that in the case of a sharp rear plasma-vacuum interface the ions can be accelerated by a combination of three basic mechanisms. The long time ion evolution that results from the strong electrostatic fields of an electron bunch provides a unique diagnostic of laser-plasma accelerators.

С использованием трехмерного численного моделирования, найдены оптимальные режимы ускорения протонов из различных плоских мишеней (двухслойные и однородные фольги, гомогенные фольги из легких и тяжелых ионов, пространственно-ограниченные мишени), облучаемых лазером умеренной энергии. Показано, что взаимодействие лазерного импульса с энергией порядка 20 Дж с пространственно-ограниченными мишенями, состоящими из тяжелых ионов и протонов, позволяет получить моноэнергетический пучок протонов с энергией порядка 150 МэВ.

Recent breakthroughs in short pulse laser technology resulted in (i) generation of ultra-high intensity (2x10^(22) W/cm^2) and (ii) ultra-high contrast (10^(-11)) short pulses at the Hercules facility of the University of Michigan, which has created the possibility of exploring a new regime of ion acceleration – the regime of Directed Coulomb Explosion (DCE). In this regime of sufficiently high laser intensities and target thicknesses approaching the relativistic plasma skin depth it is possible to expel electrons from the target focal volume by the laser’s ponderomotive force allowing for direct laser ion acceleration combined with a Coulomb explosion. That results in greater than 100 MeV protons with a quasi-monoenergetic energy spectrum. The utilization of beam shaping, namely, the use of flat-top beams, leads to more efficient proton acceleration due to the increase of the longitudinal field. According to the results of 2D PIC simulations a 500 TW laser pulse with a super-Gaussian beam profile interacting with 0.1 micron aluminium-hydrogen foil is able to produce monoenergetic protons with the energy up to 240 MeV.

The generation of energetic electron and proton beams was studied from the interaction of high intensity laser pulses with pre-drilled conical targets. These conical targets are laser machined onto flat targets using 7–180 μJ pulses whose axis of propagation is identical to that of the main high intensity pulse. This method significantly relaxes requirements for alignment of conical targets in systematic experimental investigations and also reduces the cost of target fabrication. These experiments showed that conical targets increase the electron beam charge by up to 44 ± 18% compared with flat targets. We also found greater electron beam divergence for conical targets than for flat targets, which was due to escaping electrons from the surface of the cone wall into the surrounding solid target region. In addition, the experiments showed similar maximum proton energies for both targets since the larger electron beam divergence balances the increase in electron beam charge for conical targets. 2D particle in cell simulations were consistent with the experimental results. Simulations for conical target without preplasma showed higher energy gain for heavy ions due to ‘directed coulomb explosion’. This may be useful for medical applications or for ion beam fast ignition fusion.

Полученное ранее универсальное выражение для диэлектрической проницаемости плазмы используется при решении задачи о поглощении короткого лазерного импульса, падающего на твердотельную полуограниченную плазму. Показано, что результаты точной теории могут значительно отличаться от результатов общепринятых моделей особенно в слабостолкновительном режиме поглощения, отвечающем области температур порядка 0.5-1 кэВ.

The reflectivity of near-infrared 150 femtosecond laser pulses from copper targets has been measured in the intensity range of 6 10^11 W/cm^2 to 1.6 10^14 W/cm^2 showing a drop in reflectivity versus intensity as the target is heated. A simple semi-analytical model of femtosecond electron heating and resultant optical absorption is developed to describe the time dependent and integral reflectivity covering the range from cold metal response to hot plasma response. The model is in good agreement with experimental ultrafast reflectivity measurements over the intensity range studied.