近日，我院万阳教授联合以色列魏茨曼科学研究所VictorMalka教授团队在激光等离子体驱动离子加速研究方面取得重要实验突破。相关成果以“Laser Proton Acceleration from a Near-Critical Imploding Gas Target”为题发表在国际物理学领域顶级期刊《Physical Review Letters》。万阳教授为该论文的共同第一作者和通讯作者，郑州大学物理学院、中原之光实验室为通讯单位。

图1 基于近临界密度气体结构靶的激光离子加速实验架设图

2018年，基于啁啾脉冲放大技术的超短超强激光脉冲技术荣获诺贝尔奖，其代表性应用之一即是基于强激光与等离子体相互作用的新型粒子加速器技术。目前，激光驱动粒子加速主要有两种方式：激光尾波电子加速和激光驱动离子加速。前者利用激光与低密度气体靶相互作用产生的等离子体尾波场，实现电子的超高梯度加速。后者则主要通过激光与高密度固体靶作用，加热电子并激发静电分离场来加速离子。激光加速产生的离子束，相较传统加速器，具有超短脉宽、超高流强、极小尺寸和高单发产额等特点，这使得激光离子源在高精度科学照相、医用放疗、材料改性、农业育种等领域展现出巨大的应用价值。此外，由于激光离子加速的梯度比传统加速器高一万倍以上，基于此技术的医用放疗、工业辐照和成像装置的研发，有望实现装置规模的小型化，从而大幅降低成本。

目前，普遍采用的固体靶方案存在诸多限制，如质子束能量低、重频低、污染多、制靶复杂、对激光参数要求极高等。相比之下，基于近临界密度气体靶的激光离子加速则有望突破这些限制，因而受到国内外研究机构的广泛关注。为了实现离子束的有效加速，气体靶需要具备百微米以内的小尺寸以及数微米尺度的陡峭边沿，然而构造此类气体结构在实验上极具挑战性。针对这一难题，万阳教授及其合作者提出了一种基于飞秒激光塑形技术的新方案。他们利用小能量飞秒激光从横向对气体喷流进行选择性光场电离，并通过电离引发的内爆冲击波高强度地压缩气体结构。这一创新方法不仅在实验上成功获得了厚度仅为数十微米的近临界密度气体薄层，而且利用1.5J左右的泵浦激光，首次在国际上获得了最高能量达5MeV的准单能质子束，验证了团队在2019年提出的气体靶加速理论模型（Y.Wan et al.,Phys. Rev. Accel. Beams 22, 021301 (2019)）。更为重要的是，他们通过连续200发的测试，进一步证明了飞秒激光塑形方案的鲁棒性。

该工作为基于激光气体靶作用的离子加速研究指明了一个切实可行的方向，对于高重频、高效率、低污染离子加速及应用具有重要意义。