中国团队在羲和激光项目中取得突破：揭示质子束加速的“黄金对比度”

科学剃刀

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上海光机所的一项最新实验结果，可能改写超强激光加速质子的操作手册。研究团队依托我国"羲和"激光装置发现，在数拍瓦量级的极端光强下，中等对比度的激光反而比高对比度激光加速出更高能量的质子束。这个反直觉的发现，为紧凑型质子源的实际应用扫清了一块关键路障。

TNSA机制面临一道隐形门槛

强激光驱动离子加速被称作"台面式粒子加速器"。它能在数微米距离内，将质子加速到传统加速器需要数十米才能实现的能量。这项技术一旦成熟，肿瘤放疗设备可以缩小到一间病房，聚变能源的"点火"装置也能大幅简化。

目前最成熟的加速机制是靶后法线鞘层加速，简称TNSA。它的物理图像相当清晰：超强激光脉冲轰击固体薄膜靶，瞬间打出大量电子。这些电子穿透靶材，在靶背面形成强电场鞘层。这个鞘层就像一张弹弓，把靶背面的质子瞬间弹射出去。

但TNSA有个麻烦的前置条件。激光脉冲并非绝对纯净，主脉冲前后存在纳秒量级的"预脉冲"和皮秒量级的"对比度-foot"。这些杂质会在靶材表面预先烧蚀出等离子体，形成所谓的"预等离子体"。传统观点认为，预等离子体是能量杀手。 它会稀释激光能量，破坏靶材的平整性。因此，科学家一直追求极高的激光对比度，试图把预等离子体压缩到极限。

中等对比度意外打开能量通道

上海光机所团队在"羲和"装置上完成了系统性的对比度扫描实验。他们保持激光功率在数拍瓦量级，光强达到10的21次方瓦每平方厘米，只改变激光的对比度参数。结果呈现一个清晰的倒U型曲线：中等对比度条件下，质子截止能量达到峰值。

物理机制的关键在于预等离子体的空间分布具有不对称性。靶前预等离子体是加速器，靶后预等离子体则是刹车片。

当激光对比度中等时，靶前预等离子体具备足够的"标长"（即密度梯度下降的特征长度）。这相当于为电子搭建了一条长长的加速跑道。激光脉冲在预等离子体中激发的有质动力，能够将更多电子推向相对论速度。电子温度随之飙升，为靶后鞘层场提供更强劲的"电源"。

与此同时，中等对比度保证了靶后预等离子体的标长较短。这维持了鞘层场的陡峭梯度，避免了电场被过度稀释。靶前"推得动"与靶后"兜得住"形成完美配合，质子因此获得额外能量增益。

实验数据验证了模拟结果。当对比度过高时，靶前预等离子体过于稀薄，电子加热不足；当对比度过低时，靶后预等离子体膨胀过度，鞘层场崩溃。中等对比度恰好落在甜点区。

图释：(a) 实验布置示意图，插图是激光的纳秒和皮秒对比度；(b)—(c) 不同对比度激光加速质子结果；(d)—(e) 质子截止能量和电子温度随靶前和靶后预等离子体标长变化的模拟结果

这项研究的意义不止于单次实验的成功。它标志着中国超强激光研究已经深入物理机制的精细调控层面。

"羲和"装置是我国首批建成的数拍瓦飞秒激光装置之一，由上海光机所研制。与国际上同类的ELI装置（极端光设施）相比，"羲和"在脉冲宽度、对比度控制等关键指标上并驾齐驱。此次实验将TNSA机制的研究拓展到10的21次方瓦每平方厘米的光强区间，这是此前较少涉足的参数空间。

回望发展脉络，中国在该领域实现了从跟跑到并跑的跨越。早期我们依赖"神光"系列装置开展纳秒激光研究。2010年代，上海光机所建成SULF（上海超强超短激光实验装置），实现10拍瓦输出，打破了国际记录。如今，"羲和"、SULF以及在建的SEL（上海超强超短激光装置）构成了完整的装置群。

在激光质子加速的应用转化方面，中国科学家同样布局深远。中国科学院近代物理研究所正在兰州建设基于激光加速的质子治疗示范装置。上海光机所此次突破，直接为这些工程提供了优化激光参数的理论依据。我们不再需要盲目追求极致对比度，这能大幅降低工程成本和运行难度。

从实验室到诊疗室仍需跨越鸿沟

尽管成果显著，但距离临床放疗应用仍有距离。TNSA机制产生的质子能谱较宽，需要通过复杂的束流筛选才能获得单能束。此外，当前实验的重复频率和稳定性，与医疗设备的工业级标准尚存差距。

不过，这项研究为快点火聚变提供了更现实的离子源方案。在惯性约束聚变中，高能质子束可以作为"火柴"，点燃压缩后的氘氚燃料。中等对比度激光降低了对靶材制备的苛刻要求，使靶丸设计更具灵活性。

该研究同时提示了一个更广阔的优化空间。预等离子体不再是必须消除的噪声，而是可以雕刻的光学元件。未来，科学家或许可以通过主动调控预等离子体密度分布，实现对质子束能谱、发散角的精确塑形。

参考文献

研究论文发表于《高功率激光科学与工程》（High Power Laser Science and Engineering），标题为"Effect of laser prepulse on proton acceleration driven by femtosecond intense lasers"，DOI链接：https://www.cambridge.org/core/journals/high-power-laser-science-and-engineering/article/effect-of-laser-prepulse-on-proton-acceleration-driven-by-femtosecond-intense-lasers/86104C32CD44B4257D0455E885BE2EE0

研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院的支持。实验依托中国科学院上海光学精密机械研究所"羲和"激光装置完成。